基于无源技术的无线传感器网络节点设计

摘要：电源在整个无线传感器网络系统中具有极其重要的意义，为了满足系统为微型传感器节点供电的需求，本文设计了采用充电泵实现超低压启动、双电容蓄能的微弱能源采集电路。该电路能够在低温差条件下为蓄能电路积累能量，实现低温差环境下的微弱能量采集，并能够根据无线传感器网络节点间歇性工作的特点，快速做好供电准备。实验结果表明，系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点，有效地解决了无线传感网络节点能源供电的问题，具备较高的实用价值。

引言

无源无线传感器技术是现代传感器技术的重要研究内容之一，涉及到对温度、光强、湿度等环境参数的监控等。其中，无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分，具有数量多、分布广、部署环境复杂等特点，其体积小，且自身携带的电池能量有限。由于普通电池的寿命有限，需要定期更换电池。这样不仅工作量大，成本高，浪费也严重，而且对于大面积的无线传感器网络来说，和环境监测，电池的更换比较困难。因此，收集自然环境中的能量并转换为电能，实现传感器网络的自供电，成为目前研究的热点之一。

无线传感器网络节点使用场合中有诸多形式的热源，如果把这些热源利用起来，就可以为一些低压电产品提供能源。由于温差发电时，常常出现转换的能源低于1 V，甚至低于0.5 V的情况，此时就需采用充电泵或升压式DC/DC转换器。本文设计了基于温差发电技术的无线传感器网络电路，该电路采用充电泵S-882Z的微弱能源采集电路，能在0.3～0.35 V输入电压下工作，解决了超低压启动问题;采用双电容蓄能与升压式DC/DC转换器配合等技术，为传感器网络提供可靠能量来源。

1 系统构成

该装置主要由温差发电片、能量收集存储模块、电源转换电路、无线节点模块组成，如图1所示。

其中，温差片发电的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z，而Z强烈地依赖于温度，因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。充电泵模块将温差发电片产生的电压提升并稳定在5 V，给超级电容蓄能模块充电。蓄能模块由两个容值不同的超级电容构成，按先充小电容、再充大电容的方式进行蓄能，小电容向传感器系统提供低功耗状态和正常工作时所需电量，大电容充则用于支持传感器系统进行无线数据收发等功耗较大状态所需电量。

升降压模块根据负载的需要，将电压稳定在3.3 V输出。电路采用两级变压和双电容蓄能方式，在一定程度上降低了电能转化效率，但大大提高了系统蓄能，并缩短了电路启动时间和充电间隔，为无线节点模块提供了可靠能源。

2 能量收集存储电路设计

2.1 超低工作电压启动电路

温差发电是将余热、废热等低品位能源转换为电能的一种有效方式，但温差发电效率远低于火力发电、水力发电、光伏发电等常见的发电方式。电路采用的TEG1—241系列温差发电片，发电效率约为3%，当温差为40℃，发电功率为800 mW。但在实际应用中，由于散热材料和尺寸的限制，温差常小于10℃，电压低于1V，甚至低于0.5 V。

对于传统的充电泵，如果输入电压降到0.6 V以下，则传统的DC/DC转换器内部的电路不能正常工作。为了克服这一难点，系统采用精工电子有限公司推出的S-882Z超低电压升压的方案，该芯片采用了完全耗尽型SOI技术，能在0.3～0.35 V输入超低电压下工作，给微弱电压电源的应用开创了良好的条件。

使用该芯片可以将输入工作电压Vin的范围扩展到0.3 V，并且对于输入电压在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需较大输出电流情况下激活的升压式DC/DC转换器来升压，均可用S-882Z来启动升压式DC/DC转换器。所以，对于温差片发电等超低电压的应用而言，显然具有实际意义。本系统采用S-882Z芯片的升压稳压电路如图2所示。

其中，升压电力存储在外接的启动用电容器C4中，C4电压大于0.3 V时S-882Z中振荡电路开始工作，并将转换后的升压电力缓慢充至C3，用于启动升压DC/DC，合理选用C3、C4的容量可以实现升压DC/DC的超低压快速启动。D3是一个5 V稳压二极管，当Vin大于5V时导通，用于保护升压芯片U1输入电压不超过5 V。这种结构确保了温差发电片在低温差情况下能量的高效利用。

2.2 超级电容蓄能电路

系统采用超级电容作为系统的蓄能原件，将升压后的电能储存在超级电容内，并在需要时将能量送入系统。超级电容是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件，存储能量可达到静电电容器的100倍以上，同时又具有比电池高出10～100倍的功率密度，具有充电速度快使用寿命长、低温性能优越等特点。

电容在放电过程中能够为系统提供的能量，即有效蓄能可表