無線傳感器網絡電源智能控制系統(tǒng)設計

0 引 言
    無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是一種由傳感器節(jié)點構成的網絡，能夠實時地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網絡最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產控制以及商業(yè)等領域有著廣闊的應用前景。
    無線傳感器網絡大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一。在網絡節(jié)點有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時，就可以將其供電電路斷開以節(jié)約用電，當有指令將其喚醒時，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，延長電池的供電時間和使用壽命，同時也保證了整個網絡系統(tǒng)的工作質量，延長了使用壽命。

1 系統(tǒng)電源模塊硬件設計
    本系統(tǒng)電源模塊主要對電源檢測、電源開關智能控制以及電源轉換進行了設計。電路系統(tǒng)硬件構成框圖如圖1所示。

    本電源系統(tǒng)各部分主要實現的功能如下：供電電源由2塊12 V的鉛酸蓄電池串聯而成，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行取樣，以獲取蓄電池的電量消耗信息，實時對電池充電以保證整個系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作；電源各路開關控制模塊主要是根據系統(tǒng)負載的工作狀態(tài)，通過開關控制決定是否為該負載供電，以此來降低待機功耗，延長電池的使用時間；電源變換模塊主要用模塊DC-DC轉換器作為構建單元實現電源電壓的轉換為負載提供合適的電壓。
1.1 電池檢測模塊電路設計
    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個狀態(tài)，通過狀態(tài)讀取來判斷電池能否正常為整個系統(tǒng)供電，決定是否為電池充電，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。該模塊電路結構如圖2所示。

    該模塊電路主要由低壓差線性調壓器(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)構成。低壓差線性調壓器LMlll7提供3.3 V的基準電壓，與取樣電阻所獲得的取樣電壓輸入電壓比較器LMl39進行比較，再由電壓比較器輸出的高低電平，經過反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進行編碼，通過編碼器輸出的二進制碼來反映電池電量信息。
    電池電壓取樣電阻網絡是通過取樣電阻的組合對電池的輸出電壓進行分壓取樣，各電阻端點對應的電池電壓狀態(tài)值分別為：R2對應22.8 V，R3對應23.5 V，R4對應24.2 V，R5對應25 V。當電池輸出的電壓值等于各個電阻設定的狀態(tài)值時，則該電阻端取樣電壓為3.3 V；當電池輸出的電壓值大于各個電阻設定的狀態(tài)值時，則該電阻端取樣電壓大于3.3 V；當電池輸出的電壓值小于各個電阻設定的狀態(tài)值時，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：

   
    解得：

    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/輸出的二進制碼(真值表)與電池電壓的關系如表1所示。

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1．2 電源各路開關控制模塊電路設計
    該電源系統(tǒng)各支路的開關控制主要由場效應管構成的開關電路來實現。實現該功能的電路結構如圖3所示。

    場效應管選擇了增強型P溝道場效應管IRF9640和增強型N溝道場效應管VN2222L。以場效應管IRF9640作為開關管來控制電路的通和斷，以場效應管VN2222L作為開關控制管來控制場效應管IRF9640的開和關。當控制信號輸入端輸入高電平時，開關電路導通；當控制信號輸入端輸入低電平時，開關電路斷開。經過試驗測得：當控制信號電壓從0 V逐漸上升到1.8 V時開關導通；當電壓從高電平(如3.3 V)逐漸下降到1.8 V時開關斷開。此開關電路的性能如圖4所示。

1．3 電源轉換模塊電路設計
    電源轉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模塊電源產品特點有：寬電壓輸入(2：1～4：1)，效率高達85％，高低溫特性好，能滿足工業(yè)級產品技術要求，工作溫度：-40～+85℃，隔離電壓1 500 V DC，雙輸出，金屬屏蔽封裝，國際標準引腳方式，MTBF>1 000 000 h。 
    為了確保在滿負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，為了進一步減少輸人／輸出紋波，可將輸出電容Cout電容值適當加大或選用串聯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)壓電源據典型電路應用輸入輸出外接電容分別選擇了O.33μF和0.1 μF的電容。

2 結 語
    闡述了無線傳感器網絡的基本概念，分析了電源模塊對于無線傳感器網絡整個系統(tǒng)能否安全可靠工作的至關重要性，詳細介紹了無線傳感器網絡電源系統(tǒng)的構成以及各模塊的電路結構和功能的實現過程，并通過實驗調試證明其性能達到了預定的性能要求。