一种基于无线传感器网络的生物信息检测系统节点电源设计

摘要：针对电源系统需要为系统中微处理器、传感器、信号调理电路、无线通讯模块等提供工作电源的目的，提出一种生物信息检测系统中无线传感器网络(WSN)节点的电源设计方案。除了通过内部3．7 V锂电池，振动产生的机械能也可以用来提供能量。系统工作过程中能自动时供电方式进行选择，并完成对锂电池的充电任务。节点采用带有8051内校的CC2430无线射频芯片，通过有效的动态电源管理和唤醒休眠机制的软件设计，针对生物信息检测系统实现了一种低功耗的能量自供给的无线传感器节点电源设计。
关键词：无线传感器节点；电源系统；动态电源管理；能量自供给

    微电子技术、计算机技术和通信技术等技术的发展和进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内部集成数据采集、数据处理和无线通信等多种功能，无线传感器网络应运而生。传感器节点通常是微型的嵌入式系统，一般是通过携带有限的电池供电，因此处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。大多数工作在野外或者人员不宜到达的地方，无线节点的电池不能够被随时更换，这就要求节点能够在有限的电源供电的条件下工作时间尽可能延长以延长网络寿命，除采用大容量电池以及像太阳能这样自己供电的方案之外，节点本身就要具有低功耗设计技术，从而达到延长节点寿命的目的。

1 系统结构设计
    无线传感器网络节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据无线通信模块以及电源模块组成。按照一定的通信协议，构成了无线传感器网络。文中设计的无线传感器网络节点采用图1所示的系统结构。

    节点的数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。数据采集部分可根据实际需要选定合适的传感器。本设计是针对生物信息检测系统，需要测定温度、湿度、振动、pH值等。作为传感器网络节点系统的重要组成部分之一，传感器的功耗对系统的功耗也是有重要影响的。在选择传感器时，要优先选择有源式传感器，如压电式传感器，或者选择耗电量小的传感器，尽量避免选用功耗大的如磁电式、电容式等传感器。例如，设计采用的温度传感器是DS18B20，用于测量物体表面温度或空气温度，它体功耗低，体积小，外围电路简单，可以在保证系统可靠的情况下降低了系统功耗。
    数据处理模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等。处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议和数据整合程序都将在这个模块的支持下完成，处理器的选择在节点设计中至关重要。本设计采用CC2430自带的8051微处理器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，速度快，功耗低，性价比高。
    数据传输模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据，其中无线通信损耗的能量占了整个无线传感器网络能耗的主要部分，因此对这一模块的选择事关低功耗设计的全局。选择无线收发芯片时应考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。本设计采用Chipcon公司一款兼容2．4 GHz IEEE802．15．4标准的无线收发模块CC2430，它具有工作电压低、能耗低、体积小、输出强度和收发频率可编程等特点。而且外接天线，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。本设计中单芯片CC2430集成了MCU和RF模块，比单独MCU+RF芯片的设计，不仅在价格方面比较低，而且在功耗和节能上都降低很多优势十分明显。
    节点的电源管理非常重要。由图1可以看出，数据采集模块、数据处理模块和数据无线通信模块等系统能量来源都是由电源模块提供。本设计采用3．7 V可充电锂电池ICR18650，该电池能量密度高，体积小，适合传感器节点小的特点。另外，结合生物信息检测系统中如搅拌机的振动等产生的机械能，通过能量转换装置将其转换成电能存贮起来。然后通过动态电源管理，一方面给系统供电，另一方面可以给锂电池充电。当振动产生的能量不足，自动实时切换到电池供电。另外，为方便上位机调试和检修，还配备了USB供电接口。

2 电源模块设计
2．1 电源模块设计
    电源模块设计系统框图如图2所示。

    振动能通过能量转换电路，将振动能转换成电能，然后通过储能电路储存，再经过DC-DC升压电路进入到智能电源管理电路。系统默认选择振动产生的能量，当振动产生的能力不足时，自动切换到锂电池供电。储能电路正常工作电压是2．7 V，而智能电源管理电路正常工作电压是5 V，所以设计了DC-DC升压电路，经过升压电路，2．7 V输入电压变为5 V输出，使智能电源管理电路能够正常工作；可充电锂电池正常工作电压是3．7 V，系统工作电压主要是3．3 V，因此设计了LDO电源电路。通过LDO电源电路，3．7V输入电压变为3．3V。
2．2 基于压电材料的振动能量转换
    振动源采用压电晶体，利用其压电效应实现机械振动能到电能的转换，可以利用正压电效应发电。由于压电材料产生的是低交流电压、极其微弱的电流，产生的电流是瞬间和交替的，它以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应。因此需要设计压电发电电源电路，对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。

    压电晶体充电等效电路如图3所示。L1是匹配电路的初级电感，I1是流入初级电感的电流，L2是次级电感，I2是流出次级电感的电流，M为互感，C2为次级电容，Iin是流入整流电路的电流，Vin是整流前C2两端电压，I是流入储能电容的电流，Vrest是储能电容两端点电压，Cst为总储能电容，由于Cst的值远远大于C2，因此Vrest在每个充电周期里是固定不变的。从能量源的角度出发，压电材料等效为交流电流源，Ip和等效电容Cp并联。
2．3 能量转换电路设计
    通常使用的电源电压是直流电，而压电振子输出的是一种交流电，不能直接作为供电电源，这就需要设计相关的整流滤波电路，将压电材料振动产生的交流电压变为脉动的直流电压，经滤波得到平滑的直流电压。

    本系统采用能量利用效率较高的桥式全波整流电路，如图4所示。D3～D6构成桥式整流电路，4个二极管轮流工作，Vac正半周时，D4和D6导通；Vac负半周时，D3和D5导通。当I2对C2(图3)进行充电时，C2两端电压上升，C2两端电压升高到Vrest时，整流二极管导通，C2两端电压被钳位到Vrest，I2通过整流二极管对Cst进行充电；当整流二极管均截止时，C2对前端进行放电。但此时输出的电压是脉动的，含有较大的纹波，必须通过滤波加以消除，才能得到平滑的直流电压。该电路中采用470μF电容进行滤波，保证电路中电压和电流的稳定。当输出电压在一定范围内变化时，该电路具有很好的稳压性能。
2．4 储能电路设计
    超级电容作为一种新型的电力储能元件，既具有静电电容器的高放电功率优势，又像电池一样具有较大的电荷储存能力。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、免维护等优点。
    本系统采用SU2400P-0027V-1RS超级电容设计了储能模块，其额定容量为300 F，额定电压为2．7 V，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻，其工作原理如图5所示。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，形成双电荷分布层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3 V以下)，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷响应将减少。由此可以看出，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的可充电电池是不同的。

2．5 DC-DC升压电路
    DC-DC升压电路选择MC34063，其性价比高，效率高。如图6所示，输入电压Vin是2．5～40 V，输出电压V1是5V。

2．6 智能电源管理电路设计
    智能电源管理电路选用芯片MAX1555，首先针对外接电源与锂电池电源的实时电压状态自动选择供电方式；其次，完成对系统内3．7 V 2 200mAh的锂电池的充电任务。如图7所示，当外接USB接口默认选用USB电源。如果没有USB提供电源时，当振动能量足够，此时V1等于5V，一边为系统提供电能，一面为锂电池充电；当振动能量太小时，MAX1555 4脚自动关闭，与5脚相连的锂电池自动供电，实现了振动能量和锂电池之前的无缝切换。

2．7 LDO电源电路模块
    LDO电路选择ADP3300-3．3，其输入电压System load的范围是3．2～12 V，输出电压是3．3 V，如图8所示。

3 低功耗设计
    微处理器有一种较为通用的电源管理机制，在该机制中将系统的功耗模式分为3种：常规模式、空闲模式和省电模式。其中，常规模式的功耗最高，空闲模式的功耗次之，省电模式功耗最低。系统完成初始化后即进入低功耗工作模式状态，进入低功耗模式后，电流仅达到几个μA。一旦有允许的中断请求，CPU将在大约10μs的时间内被唤醒进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。系统在空闲模式下依然要启动定时器，如果在定时器到期之前收到外部触发信号，系统将回到常规模式并取消定时器；如果没有收到外部的触发信号，系统将保持在休眠模式并且系统会在定时器到期后进入省电模式，以便更进一步地降低功耗。系统中断流程如图9所示。

4 结束语
    本文针对生物信息检测系统，利用振动产生的能量，结合可充电锂电池，为无线传感器网络节点永久提供能量。该系统经过硬件测试，运行稳定，工作良好，不仅能自动对供电方式进行选择，而且可以完成对锂电池的充电功能。同时，系统软件提供的睡眠唤醒机制与通信协议相匹配，能够保证在无线传感器网络可靠通信的基础上，进一步满足低功耗系统需求。系统结构简单，成本低，节点寿命长，可靠性高，有较高的使用价值。