【導(dǎo)讀】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數(shù)量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時(shí)，就可以將其供電電路斷開以節(jié)約用電，當(dāng)有指令將其喚醒時(shí)，則接通其供電電路以保證系統(tǒng)的正常工作。這樣便可有效節(jié)約電能，延長電池的供電時(shí)間和使用壽命，同時(shí)也保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，延長了使用壽命。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數(shù)量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時(shí)，就可以將其供電電路斷開以節(jié)約用電，當(dāng)有指令將其喚醒時(shí)，則接通其供電電路以保證系統(tǒng)的正常工作。這樣便可有效節(jié)約電能，延長電池的供電時(shí)間和使用壽命，同時(shí)也保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，延長了使用壽命。
系統(tǒng)電源模塊硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)電源模塊主要對電源檢測、電源開關(guān)智能控制以及電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行了設(shè)計(jì)。電路系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。
圖1：電源系統(tǒng)硬件構(gòu)成
本電源系統(tǒng)各部分主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：供電電源由2塊12 V的鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，為系統(tǒng)提供24 V的直流電壓；電池檢測模塊主要是通過對供電電源的輸出電壓進(jìn)行取樣，以獲取蓄電池的電量消耗信息，實(shí)時(shí)對電池充電以保證整個(gè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作；電源各路開關(guān)控制模塊主要是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的工作狀態(tài)，通過開關(guān)控制決定是否為該負(fù)載供電，以此來降低待機(jī)功耗，延長電池的使用時(shí)間；電源變換模塊主要用模塊DC-DC轉(zhuǎn)換器作為構(gòu)建單元實(shí)現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換為負(fù)載提供合適的電壓。
電池檢測模塊電路設(shè)計(jì)
電池檢測模塊通過對供電電源輸出電壓取樣來判斷蓄電池的電量是否充足。在此將電源輸出電壓劃分為：25 V以上為電池電量滿狀態(tài)、24.2～25 V為電池電量充足狀態(tài)、23.5～24.2 V為電池正常工作狀態(tài)、22.8～23.5 V為電池電量不足但尚能工作狀態(tài)、22.8 V以下為電池不能正常工作狀態(tài)5個(gè)狀態(tài)，通過狀態(tài)讀取來判斷電池能否正常為整個(gè)系統(tǒng)供電，決定是否為電池充電，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該模塊電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2：電池檢測電路構(gòu)成
該模塊電路主要由低壓差線性調(diào)壓器(LMlll7)、取樣電阻(R1，R2，R3，R4，R5)、電壓比較器(LMl39)、反相器(74HC04)以及編碼器(74HCl48)構(gòu)成。低壓差線性調(diào)壓器LMlll7提供3.3 V的基準(zhǔn)電壓，與取樣電阻所獲得的取樣電壓輸入電壓比較器LMl39進(jìn)行比較，再由電壓比較器輸出的高低電平，經(jīng)過反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進(jìn)行編碼，通過編碼器輸出的二進(jìn)制碼來反映電池電量信息。
電池電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò)是通過取樣電阻的組合對電池的輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，各電阻端點(diǎn)對應(yīng)的電池電壓狀態(tài)值分別為：R2對應(yīng)22.8 V，R3對應(yīng)23.5 V，R4對應(yīng)24.2 V，R5對應(yīng)25 V。當(dāng)電池輸出的電壓值等于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓為3.3 V；當(dāng)電池輸出的電壓值大于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓大于3.3 V；當(dāng)電池輸出的電壓值小于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓小于3.3 V。取樣電阻R1，R2，R3，R4，R5的取值可由下面的方程組求得：
編碼器74HCl48低電平有效，所以在比較器LMl39的后面又接了反相器74HC04，編碼器輸入/輸出的二進(jìn)制碼(真值表)與電池電壓的關(guān)系如表1所示。
表1：電池狀態(tài)與編碼器真值表對應(yīng)關(guān)系
電源各路開關(guān)控制模塊電路設(shè)計(jì)
該電源系統(tǒng)各支路的開關(guān)控制主要由場效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)該功能的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3：開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)
場效應(yīng)管選擇了增強(qiáng)型P溝道場效應(yīng)管IRF9640和增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)管VN2222L。以場效應(yīng)管IRF9640作為開關(guān)管來控制電路的通和斷，以場效應(yīng)管VN2222L作為開關(guān)控制管來控制場效應(yīng)管IRF9640的開和關(guān)。當(dāng)控制信號輸入端輸入高電平時(shí)，開關(guān)電路導(dǎo)通；當(dāng)控制信號輸入端輸入低電平時(shí)，開關(guān)電路斷開。經(jīng)過試驗(yàn)測得：當(dāng)控制信號電壓從0 V逐漸上升到1.8 V時(shí)開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)電壓從高電平(如3.3 V)逐漸下降到1.8 V時(shí)開關(guān)斷開。此開關(guān)電路的性能如圖4所示。
圖4：開關(guān)性能曲線
電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)
電源轉(zhuǎn)換電路芯片主要選用的是金升陽公司的DC/DC模塊電源并配以78系列三端穩(wěn)壓電源。
DC／DC模塊電源產(chǎn)品特點(diǎn)有：寬電壓輸入(2：1～4：1)，效率高達(dá)85％，高低溫特性好，能滿足工業(yè)級產(chǎn)品技術(shù)要求，工作溫度：-40～+85℃，隔離電壓1 500 V DC，雙輸出，金屬屏蔽封裝，國際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式，MTBF>1 000 000 h。
為了確保在滿負(fù)載條件仍能很好地保持在最佳的工作狀態(tài)，需要外加電容，為了進(jìn)一步減少輸人／輸出紋波，可將輸出電容Cout電容值適當(dāng)加大或選用串聯(lián)等效阻抗值小的電容器，但電容值不能太大。DC／DC模塊電源VRA2412D的輸入／輸出外接電容分別選擇了100μF的電容，WRA2405CS的輸入輸出外接電容分別選擇了22μF和100μF的電容；78系列三端穩(wěn)壓電源據(jù)典型電路應(yīng)用輸入輸出外接電容分別選擇了O.33μF和0.1 μF的電容。
闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，分析了電源模塊對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個(gè)系統(tǒng)能否安全可靠工作的至關(guān)重要性，詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源系統(tǒng)的構(gòu)成以及各模塊的電路結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)過程，并通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試證明其性能達(dá)到了預(yù)定的性能要求。
