黎水平，程家豪

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于具備低功耗、自組織和可分布式特點(diǎn)逐漸被廣泛用于軍事、工業(yè)以及民用領(lǐng)域[1-3]。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般使用電池進(jìn)行供電，但由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往布置在環(huán)境比較惡劣、人員難以到達(dá)的地區(qū)，因此使用電池供電存在更換困難的問題，并且廢棄的電池容易造成環(huán)境污染。一般通過收集如機(jī)械能(振動能、風(fēng)能等)、太陽能、熱能等環(huán)境能源作為電池的替代方案來解決電池供電帶來的一系列問題[4]。

筆者提出了一種基于風(fēng)能收集的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案。設(shè)計了一種微型風(fēng)能收集器，采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)作為換能裝置。由于微型風(fēng)能收集器無法直接給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，設(shè)計了一種基于并聯(lián)同步開關(guān)電感電路和MAX1672穩(wěn)壓芯片的能量管理電路。采用CC2530為控制芯片、SHT20為溫濕度傳感器，設(shè)計了一種具備溫濕度監(jiān)測功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并以所設(shè)計的風(fēng)能收集器和能量管理電路作為供電電源進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了所提出的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案的可行性。

1 風(fēng)能收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的Savonius型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究成果[5]，設(shè)計了一種微型風(fēng)能收集器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)有風(fēng)吹向風(fēng)能收集器時，Savonius型風(fēng)輪會開始轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的Savonius型風(fēng)輪通過旋轉(zhuǎn)軸將風(fēng)的作用力傳遞到撥片上，從而使得撥片和Savonius型風(fēng)輪同步轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的撥片會擊打固定在圓形底座周圍的壓電懸臂梁，迫使壓電懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動，從而使得壓電片產(chǎn)生形變。由于壓電片的正壓電效應(yīng)，在壓電片的兩邊表面會產(chǎn)生電壓。

圖1 風(fēng)能收集器結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)能收集器的壓電換能裝置采用的是壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片分布在磷青銅基板上下兩個表面，兩個表面上的壓電陶瓷片采用并聯(lián)方式進(jìn)行連接，如圖2所示。相比于壓電單晶懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出功率更大。而相比于壓電串聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)，雖然它們輸出功率相同，但是壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)的輸出電流是壓電串聯(lián)雙晶結(jié)構(gòu)的兩倍[6]。由于壓電片內(nèi)阻比較大，達(dá)到兆歐級別[7]，輸出電流非常小，因此需要通過采用并聯(lián)連接方式提高輸出電流，從而加快儲能單元的充電速度。

圖2 壓電并聯(lián)雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)

2 能量管理電路設(shè)計

由于所設(shè)計的風(fēng)能收集器輸出的是交流電，不能直接給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，因此需要設(shè)計能量收集接口電路進(jìn)行整流。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要3.3 V的供電電壓，因此還需要設(shè)計穩(wěn)壓電路使得輸出電壓為3.3 V。此外，由于風(fēng)能收集器的實(shí)時輸出功率非常小，不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗要求，需要將風(fēng)能收集器的輸出能量進(jìn)行存儲[8]。

能量收集接口電路采用的是并聯(lián)同步開關(guān)電感電路，主要由最大位移開關(guān)電路、最小位移開關(guān)電路和二極管整流橋組成，具體電路如圖3所示。最大位移開關(guān)電路由包含R1、D1、C1的檢波器、比較器Q1和開關(guān)Q2組成，最小位移開關(guān)電路由包含R2、D2、C2的檢波器、比較器Q4和開關(guān)Q3組成。最大位移開關(guān)電路工作原理是通過檢波器中的C1跟隨壓電元件的輸出電壓，由于檢波器中的R1和D1存在壓降使得C1兩端的電壓小于壓電元件的輸出電壓，因此Q1的發(fā)射極電壓小于基極電壓，Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)一步導(dǎo)致Q2也處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)壓電元件振動位移到達(dá)最大值并開始減小時，壓電元件的輸出電壓也會開始減小，由于電容放電速度慢，因此此時C1上的電壓保持不變，Q1的發(fā)射極電壓會比基極電壓高，從而使得Q1處于飽和狀態(tài)，既而使得Q2也處于飽和狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)了在壓電元件振動位移達(dá)到最大值時并聯(lián)一個電感至壓電元件和二極管整流橋之間。最小位移開關(guān)電路工作原理與之類似，只是最小位移開關(guān)電路是在壓電元件振動位移達(dá)到最小值時并聯(lián)一個電感至壓電元件和二極管整流橋之間，具體實(shí)現(xiàn)原理這里不再詳述。當(dāng)最大位移開關(guān)電路或最小位移開關(guān)電路的開關(guān)器件處于飽和狀態(tài)即導(dǎo)通時，L1會和壓電元件的自身耦合電容形成LC振蕩電路，從而實(shí)現(xiàn)壓電元件輸出電壓的翻轉(zhuǎn)。通過在壓電元件振動位移到達(dá)極值時翻轉(zhuǎn)輸出電壓，并聯(lián)同步開關(guān)電感電路實(shí)現(xiàn)了比標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路更高的能量收集效率。

圖3 能量收集接口電路

穩(wěn)壓電路采用的是Maxim公司推出的MAX1672穩(wěn)壓芯片，具體電路如圖4所示。MAX1672可以提供升壓和降壓轉(zhuǎn)換，內(nèi)部集成了一個升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和一個線性穩(wěn)壓器。支持1.8～11 V的輸入電壓，具備3.3 V和5 V的預(yù)置輸出電壓。輸出電壓也可以通過外接兩個電阻進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)置的范圍為1.25～5.5 V，圖4中設(shè)置的輸出電壓為3.3 V。輸出電流在輸入電壓大于1.8 V時為150 mA，在輸入電壓大于2.5 V時為300 mA。靜態(tài)電流低至85 uA，在邏輯控制關(guān)斷模式下可進(jìn)一步降低至0.1 uA。MAX1672芯片內(nèi)部有一個用于低電壓檢測的比較器，可以通過調(diào)節(jié)圖4中的R3和R4設(shè)置低電壓檢測閾值，圖4中設(shè)置的低電壓檢測閾值為2.1 V。

圖4 穩(wěn)壓電路

目前，用于能量存儲的元件主要有普通電容、鋰電池和超級電容[9]。普通電容容量較低且能量衰減比較快，鋰電池需要過充保護(hù)且安全性較差，而超級電容充電速度快、使用壽命長且安全性高。因此選擇超級電容作為所設(shè)計的風(fēng)能收集器的儲能元件，容值為0.022 F。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由風(fēng)能收集器、能量管理電路、能量存儲單元、傳感器模塊、微處理器模塊和無線射頻模塊組成，如圖5所示。

微處理器模塊采用的是TI公司推出的第二代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530[10]，其內(nèi)嵌了一個高性能低功耗的8051內(nèi)核，工作電壓的典型值為3.3 V。并且，CC2530具有2個USART、1個8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC、4個定時器、1個睡眠定時器以及21個可編程I/O引腳等外設(shè)，能

圖5 自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成

夠滿足大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需求。為了降低節(jié)點(diǎn)的功耗和體積，無線射頻模塊采用的是CC2530內(nèi)部集成的無線射頻收發(fā)器。該射頻收發(fā)器支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為2.4 GHz，傳輸距離可達(dá)1 000 m，具備良好的無線接收靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性。圖6為基于CC2530的控制與射頻電路。

圖6 基于CC2530的控制與射頻電路

傳感器模塊選用的是瑞士Sensirion公司推出的低功耗數(shù)字溫濕度傳感器SHT20。SHT20支持2.1～3.6 V的工作電壓，休眠狀態(tài)下功耗低至0.5 uW，測量狀態(tài)下功耗為0.9 mW。將分辨率設(shè)置為8～14 bit，相比于前代的溫濕度傳感器如SHT11，在測量準(zhǔn)確性和可靠性方面都得到了提升。它采用IIC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，抗干擾性強(qiáng)。圖7為以SHT20為核心的溫濕度測量電路。

圖7 SHT20溫濕度傳感器電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過3D打印技術(shù)制作了風(fēng)能收集器實(shí)物，如圖8所示。其中，風(fēng)能收集器的壓電換能裝置參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)測得風(fēng)能收集器的輸出電壓、輸出功率和風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖9所示，風(fēng)能收集器的輸出功率和負(fù)載電阻之間的關(guān)系曲線如圖10所示。從圖9和圖10可知，風(fēng)能收集器的啟動風(fēng)速為3 m/s，最佳負(fù)載為30 kΩ，在匹配電阻下的最大輸出功率為220 uW。

圖8 風(fēng)能收集器實(shí)物

表1 壓電懸臂梁參數(shù)

圖9 風(fēng)能收集器的輸出與風(fēng)速關(guān)系

圖10 風(fēng)能收集器輸出與負(fù)載關(guān)系

圖11 能量管理電路實(shí)物

圖12 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物

圖11為制作的能量管理電路實(shí)物，圖12為設(shè)計的溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物。使用該節(jié)點(diǎn)搭建了一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)分別按照表2和表3的通信格式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。對節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行測試，結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)在正常工作時消耗的電流為8.72 mA，在發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗的電流為32.73 mA，在進(jìn)入休眠狀態(tài)時消耗的電流為1 uA。設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送周期為90 s，使用所設(shè)計的風(fēng)能收集器進(jìn)行供電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到能量平衡狀態(tài)，可以正常工作。

表2 節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)通信格式 字節(jié)

表3 節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)通信格式 字節(jié)

5 結(jié)論

筆者提出了一種基于風(fēng)能收集的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方案，設(shè)計了微型壓電式風(fēng)能收集器和能量管理電路，取代了傳統(tǒng)的電池給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)面臨的供電難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在以90 s間隔發(fā)送數(shù)據(jù)時，能夠長時間正常工作。