浅谈低功耗无线传感器网络电源设计

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣。而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时，就可以将其供电电路断开以节约用电，当有指令将其唤醒时，则接通其供电电路以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能，延长电池的供电时间和使用寿命，同时也保证了整个网络系统的工作质量，延长了使用寿命。

系统电源模块硬件设计

本系统电源模块主要对电源检测、电源开关智能控制以及电源转换进行了设计。电路系统硬件构成框图如图1所示。

图1：电源系统硬件构成

本电源系统各部分主要实现的功能如下：供电电源由2块12 V的铅酸蓄电池串联而成，为系统提供24 V的直流电压；电池检测模块主要是通过对供电电源的输出电压进行取样，以获取蓄电池的电量消耗信息，实时对电池充电以保证整个系统正常稳定的工作；电源各路开关控制模块主要是根据系统负载的工作状态，通过开关控制决定是否为该负载供电，以此来降低待机功耗，延长电池的使用时间；电源变换模块主要用模块DC-DC转换器作为构建单元实现电源电压的转换为负载提供合适的电压。

电池检测模块电路设计

电池检测模块通过对供电电源输出电压取样来判断蓄电池的电量是否充足。在此将电源输出电压划分为：25 V以上为电池电量满状态、24.2～25 V为电池电量充足状态、23.5～24.2 V为电池正常工作状态、22.8～23.5 V为电池电量不足但尚能工作状态、22.8 V以下为电池不能正常工作状态5个状态，通过状态读取来判断电池能否正常为整个系统供电，决定是否为电池充电，以保证整个系统的正常运行。该模块电路结构如图2所示。

图2：电池检测电路构成

该模块电路主要由低压差线性调压器(LMlll7)、取样电阻(R1，R2，R3，R4，R5)、电压比较器(LMl39)、反相器(74HC04)以及编码器(74HCl48)构成。低压差线性调压器LMlll7提供3.3 V的基准电压，与取样电阻所获得的取样电压输入电压比较器LMl39进行比较，再由电压比较器输出的高低电平，经过反相器74HC04输入到编码器74HCl48中进行编码，通过编码器输出的二进制码来反映电池电量信息。

电池电压取样电阻网络是通过取样电阻的组合对电池的输出电压进行分压取样，各电阻端点对应的电池电压状态值分别为：R2对应22.8 V，R3对应23.5 V，R4对应24.2 V，R5对应25 V。当电池输出的电压值等于各个电阻设定的状态值时，则该电阻端取样电压为3.3 V；当电池输出的电压值大于各个电阻设定的状态值时，则该电阻端取样电压大于3.3 V；当电池输出的电压值小于各个电阻设定的状态值时，则该电阻端取样电压小于3.3 V。取样电阻R1，R2，R3，R4，R5的取值可由下面的方程组求得：

编码器74HCl48低电平有效，所以在比较器LMl39的后面又接了反相器74HC04，编码器输入/输出的二进制码(真值表)与电池电压的关系如表1所示。

表1：电池状态与编码器真值表对应关系


电源各路开关控制模块电路设计

该电源系统各支路的开关控制主要由场效应管构成的开关电路来实现。实现该功能的电路结构如图3所示。

图3：开关控制电路结构

场效应管选择了增强型P沟道场效应管IRF9640和增强型N沟道场效应管VN2222L。以场效应管IRF9640作为开关管来控制电路的通和断，以场效应管VN2222L作为开关控制管来控制场效应管IRF9640的开和关。当控制信号输入端输入高电平时，开关电路导通；当控制信号输入端输入低电平时，开关电路断开。经过试验测得：当控制信号电压从0 V逐渐上升到1.8 V时开关导通；当电压从高电平(如3.3 V)逐渐下降到1.8 V时开关断开。此开关电路的性能如图4所示。

图4：开关性能曲线

电源转换模块电路设计

电源转换电路芯片主要选用的是金升阳公司的DC/DC模块电源并配以78系列三端稳压电源。

DC／DC模块电源产品特点有：宽电压输入(2：1～4：1)，效率高达85％，高低温特性好，能满足工业级产品技术要求，工作温度：-40～+85℃，隔离电压1 500 V DC，双输出，金属屏蔽封装，国际标准引脚方式，MTBF>1 000 000 h。

为了确保在满负载条件仍能很好地保持在最佳的工作状态，需要外加电容，为了进一步减少输人／输出纹波，可将输出电容Cout电容值适当加大或选用串联等效阻抗值小的电容器，但电容值不能太大。DC／DC模块电源VRA2412D的输入／输出外接电容分别选择了100μF的电容，WRA2405CS的输入输出外接电容分别选择了22μF和100μF的电容；78系列三端稳压电源据典型电路应用输入输出外接电容分别选择了O.33μF和0.1 μF的电容。

阐述了无线传感器网络的基本概念，分析了电源模块对于无线传感器网络整个系统能否安全可靠工作的至关重要性，详细介绍了无线传感器网络电源系统的构成以及各模块的电路结构和功能的实现过程，并通过实验调试证明其性能达到了预定的性能要求。