【導(dǎo)讀】無(wú)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)了使用壽命。
無(wú)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(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)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(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(wú)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)電源檢測(cè)、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(cè)模塊主要是通過(guò)對(duì)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(duì)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(guò)開關(guān)控制決定是否為該負(fù)載供電，以此來(lái)降低待機(jī)功耗，延長(zhǎng)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(cè)模塊電路設(shè)計(jì)
電池檢測(cè)模塊通過(guò)對(duì)供電電源輸出電壓取樣來(lái)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(guò)狀態(tài)讀取來(lái)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(cè)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(guò)反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進(jìn)行編碼，通過(guò)編碼器輸出的二進(jìn)制碼來(lái)反映電池電量信息。
電池電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)取樣電阻的組合對(duì)電池的輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，各電阻端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電池電壓狀態(tài)值分別為：R2對(duì)應(yīng)22.8 V，R3對(duì)應(yīng)23.5 V，R4對(duì)應(yīng)24.2 V，R5對(duì)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(duì)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(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)電路來(lái)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(chǎng)效應(yīng)管選擇了增強(qiáng)型P溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640和增強(qiáng)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管VN2222L。以場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640作為開關(guān)管來(lái)控制電路的通和斷，以場(chǎng)效應(yīng)管VN2222L作為開關(guān)控制管來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640的開和關(guān)。當(dāng)控制信號(hào)輸入端輸入高電平時(shí)，開關(guān)電路導(dǎo)通；當(dāng)控制信號(hào)輸入端輸入低電平時(shí)，開關(guān)電路斷開。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)控制信號(hào)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(yáng)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(jí)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(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，分析了電源模塊對(duì)于無(wú)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(wú)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(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試證明其性能達(dá)到了預(yù)定的性能要求。
