基于无源技术的无线传感器网络节点设计

示为：

其中，U1是电容的放电阈值电压，U2是电容的充电阈值电压。放电时C越大，电容能够提供的能量E也越大;充电时C越大，根据计算电容达到放电阈值电压U1的时间也越长。当电容C不变时，蓄能系统是无法同时实现缩短充电时间和提供更大能量两个目标的。根据传感器系统大部分时间工作在低功耗状态的特点，本文设计了双电容蓄能模式，蓄能电路如图3所示。

其中C22为小电容，C21为大电容.充电时，5 V输入电压经防反充肖特基二极管D21和D22后首先为C22充电，当C22电压大于放电阈值电压U1后，C21才开始充电。当C21未达到充电阈值电压U2前，蓄能系统通过C22向外提供能量，当C21电压超过U2后，蓄能系统向外提供的能量相当于6倍的C22。这种方式既能满足传感器系统在低功耗状态下快速启动的需要，又为高功耗状态提供了强大的能量后备。

3 无线节点模块设计

无线节点模块包括微处理器模块、无线传输模块及传感器模块。由于温差发电产生的能量较弱，因此系统无线传感器网络节点按照低功耗原则设计，无线处感器节点为间歇工作模式。无线节点硬件电路如图4所示。

微处理器模块采用MSP430F149，该单片机是一种16位的混合信号处理器，具有一个12位8通道自带采样保持的模数转换器(ADC)和6个通用8位I/O口，外部工作电压典型参数为3.3 V。无线模块选用CMT-20LP无线收发模块，其工作频率为2.4 GHz，具有高可靠的数据传输速率，最高可达2 Mbps;其功耗低，发射模式下工作电流为30 mA，接收模式下工作电流为25 mA，休眠电流为2.2μA。CMT-20LP模块采用线性调频(CSS)调制方式，信号带宽为22 MHz和80 MHz，内嵌无线收发器芯片NA5TR1，增加了输出PA(功率放大器)、输入LNA(低噪声放大器)、收发转换控制电路，输出已匹配到50 Ω，使用非常方便。

对于传感器模块选型，以环境温度为例，传感器模块选用DS18B20温度传感器。独特的单线接口方式使其在与微处理器连接时仅需一条接口线，即可实现微处理器与传感器的双向传输，节约了I/O口，测温范围为-55～125℃，固有测温分辨率为0.062 5℃，工作电压为3～5 V，测量结果以9～12位数字量方式串行传送。在使用中无需任何外围器件，因此可简化节点硬件设计，减小节点体积，提高可靠性。

由于无线传感网络节点中选用的微处理器模块和传感器模块工作电压均为3.3 V。该系统工作过程中电源供给来源于温差发电片。充电泵模块将温差发电片产生的电压提升并稳定在5 V，给超级电容蓄能充电。电容存储的能量用于支持宽范围升降压芯片TPS63030(其输入电压为1.8～5.5 V)转化为3.3 V电压，为无线传感网络节点提供电源。

该装置启动后工作电流为100 mA左右。传感器节点一旦启动，长期工作在低功耗状态;每次进入典型工作状态连续工作时间在10 s左右;每间隔10 min则进入大功耗状态一次，连续工作不少于20 s。能量供应模块设计使用了一片TEG1-241发电片，温差为10℃以上即可发电，平均输出电压0.6 V，输出电流50 mA，采用0.02 F和1 F两个超级电容蓄能，放电域值电压为3 V，可充至以上。

电路由于各种原件损耗，系统整体转化效能在80%左右。由电容能量转换可得，小电容蓄能到3 V时需要3 s，此时，电路启动。如果电路工作在典型工作状态，可知电容电压至4.7 V时，系统工作时间理论值为25.8 s。考虑到系统效能的因素，实际可工作时间在20 s左右。若系统一直处于低功耗状态，双电容充电至4.7 V的时间根据换算为375 s;当系统处于大功耗状态时，工作时间理论值为32 s。考虑到系统效能的因素，实际可工作时间在24 s左右。采用温差片发电和超级电容蓄能的方式产生的功率大于无线传感网络节点中温度传感器、单片机和无线收发模块的功率，此时能满足无线节点工作需求。

结语

本文提供了一种基于温差发电的无线传感网络节点设计方案，通过选择低功耗单元芯片，设计硬件接口，构建了一个完整的无线传感网络节点。实验结果表明，该装置具备启动时间短，对散热要求不高，支持间歇大功率输出的优点。发射模块传送的距离可达100 m，可直接放置于发动机排气管、空调出风口、冷热水管等物体表面，实现微弱能源的采集和利用，能有效解决无线传感网络节点能源供电问题，具备较高的实用价值。