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新型 太阳能 供电 气体 传感器 网络 节点

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2 01 5正 第 9期 仪表 技术 与 传感 器 I n s t r ume n t Techn iqu e a nd Se n s o r 2 01 5 No 9 新型太 阳能供 电的气体传感器 网络节点 何 荣 哲 唐祯 安 大连理工大学电子科学与技术学院 辽宁大连1 1 6 0 2 3 摘要 针对传统半导体 气体传感 器功耗 大 网络节点难 以实现 自供 电的问题 设计 了一种新型 太阳能供 电的阵列式 气 体传感器网络节点 采用课题组研制的集成微热板阵列式气体传感器芯片作为节点的传感器 采用 C C 2 5 3 0芯片作为节 点的处理器和无线通信模块 采用B Q 2 4 2 1 0芯片以及高效率 D C D C芯片构成节点的电源模块 测试结果表明该节点实 现 了系统的自供电 无需维护人员定期的更换电池 能够长期稳定运行 关键词 传感 器网络 微 热板 太阳能 自供 电 通信 节点 中图分 类号 T P 2 1 6 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 1 5 0 9 0 0 6 3 0 4 No v e l Ga s Se n s o r Ne t wo r k No de Po we r e d b y S o l a r Ce l l HE Ro n g z h e TANG Zh e n a n S ch o o l o f E l e ct r o n ic S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y D a l ia n Un iv e r s it y o f T e ch n o l o g y D a l i a n 1 1 6 0 2 3 C h in a Ab s t r a ct F o r p r o b l e m o f t h e p o w e r co n s u mp t io n o f t h e t r a d it io n a l s e mico n d u ct o r g a s s e n s o r is u s u a l l y h ig h a n d it is h a r d f o r t h e n e t wo r k n o d e t o b e s e l f p o w e r e d a n o v e l g a s s e n s o r n e t w o r k n o d e p o we r e d b y s o l a r ce l l w a s d e s ig n e d in t h is p a p e r An in t e g r a t e d m i cr o h o t p l a t e MH P g a s s e n s o r d e s ig n e d b y o u r r e s e a r ch g r o u p w a s u s e d a s t h e n o d e S s e n s o r w h il e t h e in d u s t r y l e a d i n g C C 2 5 3 0 w a s u s e d a s t h e p r o ce s s o r a n d w i r e l e s s co m m u n ica t i o n mo d u l e B e s i d e s t h e B Q 2 4 2 1 0 a n d s o m e D C D C s w i t ch ch ip s p r o d uce d b y TI e r e us e d t o de s ig n t h e p o we r mo d u l e o f t h e n o de Th e me a s u r e me n t r es u l t s s h o w t ha t t he no d e a chie v e s t he g o a l o f be ing s e l f p o we r e d a n d n e e d s n o ma in t a in e r t o ch a ng e t h e ba t t e r y pe r io d ica l l y Th e n o d e ca n wo r k f o r l o n g t e r m s t e a d il y Ke y wor d s s e n s o r n e t wo r k micr o ho t pl a t e s o l a r s e l f p o we r e d co mmu n ica t io n no d e 0引言 在石油 化工 天然气等工业生产过程 中 普遍存在着有 毒 有害气体泄露 的隐患 如果这类气体泄漏没有被及时被发 现 将会对人类 的生命 财产安全造成难 以估量 的损 失 为 了 保障生产安全 要 对这 类气 体进行 准确 的实 时监 测 从 而 避免 或降低气体泄露所造成的危害 无线传感器网络以其成本低 便于铺设等诸 多优点在军 事 海洋监控 环境监测 以及生活中得到了广泛的应用 3 j 目 前 无线传感器网络节点多以电池供电 需要维护人员定期的 更换 电池 以保证网络的持续运行 对于布设在危险地带的节 点 这即增加了运行成本又对维护人 员安全造 成隐患 半导 体气体传感器所用材料的气敏特性多与温度有关 传统气体传 感器加热单元功耗较大 J 同时 为了实现对混合气体有效的 检测和辨别 往往将气体传感器组成阵列来提高传感器的选择 性 这就导致整个节点的功耗非常大 仅仅靠电池供电无法 满足节点长期工 作 的需 求 通 常需要 市 电供 电 这也 就削 弱 了 无线传感器 网络 的优 势 本文结合课题组 多年研究 成果 采用 最新设计 的阵列式气 体传 感器芯片 设计 了一 款 由太 阳能供 电 的气体监测传感器 网络节点 1 传 感器节点结构及功能介绍 图 I 是传感器节点结构框图 在光照充足时太阳能电池板 将光能转化为电能 通过能量收集芯片为节点供电的同时对锂 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 1 收修 改稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 7 电池进行充电 在无光照条件下 由锂电池对系统供电 传感 器将气体浓度的信号转换为电压信号并通过信号调理电路输 出给处理器 C C 2 5 3 0通过片内的 A D C模块 采集传感器信号 以及锂电池电压 通过无线射频模块将采集到的信息通过无线 网络发送至汇聚节点 然后由汇聚节点通过串口传至上位机 由上位机对数据进行处理 显示以及保存 用户也可以通过上 位机向网络中的节点发送控制信息 改变传感器的工作状态以 及采样周 期 图 1 传感器节点结构框 图 2 硬件 电路设计 2 1 微热板 阵列式气体传 感器 如图 2 所示 MH P O 1是一种通用型阵列式气体传感器芯 片 采用 D I P 1 6封装 由 A B c D 4块微热板 MH P 加热控 制电路以及信号采集电路组成 由钨电阻丝对微热板加热 这 种加热结构的功耗较传统的加热单元有了大幅度的减小 从而 使蓄电池供电成为可能 实际应用中可以根据具体需求 通过 C V D P V D 溅射等方式在 4块微热板上添加 S n O Z n O T i O 等 气敏材料实现对 H C O 甲烷 甲醛 笨等气体的检测 I ns t r u me n t Te ch n iq u e a nd Se ns o r S e p 2 01 5 C LK R S T C 0N E N r e f R A RC RB R D GND VDD A 2 V o u t Al A0 5 图 2阵列式气体传感器电路原理图 针对于不同的气敏材料以及它们对不同气体的最佳响应 温度 可通过 D S引脚控制 4块微热板的温度 气敏材料的电 阻将随待测的气体浓度的变化而变化 最终转换成电压信号通 过 V o u t 引脚输 出 此外可 以根据钨加热电阻丝的电阻 获得此 时微热板的实际温度 钨丝温阻标定曲线如图 3 所示 宣 弹 图 3 钨电阻丝温阻标定 通过译码器输入引脚 A 2 A1 A O设定 的输出信号 0 0 0 1 1 1 分别对应四块微热板钨电阻丝端的电压以及气敏材料的 输出电压 再配合气体识别算法可以有效的对气体进行检测和 辨别 MH P 0 1 引脚及功能描述如表 1 所示 表 1 MHP 0 1引脚功能描述 图 2 左侧是一个镜像电流源 用来为阵列式传感器提供 1 m A的参考电流 右侧为传感器信号输出调理 电路 用一个电 压跟随器提高信号采集端的输入阻抗 R 为测试气体的 气敏材料的分压电阻 2 2电源模块 2 2 1 功 率估 算 电源模块主要任务 是收 集太 阳能为 系统供 电 以及对 锂 电 池充电 为了器件选 型 按 如下 条件对 功 率进行估 算 传 感器 中 4个微热板全部用 7 m A满负荷 电流 加热 在 阳光充 足时 1 d 将电池由完全放电状态充至满电状态 在完全无 光照条件 下对 整个节点连续供电 8 0 h 节点各部分功率分别为 传感器满负荷运行 V 5 V M H P 3 0 mA C C 2 5 3 0通信状态 V c 3 3 V 2 9 m A 工作占 空比1 1 0 0 其余电路及 C C 2 5 3 0睡眠状态能耗 3 3 V I 5 m A D C D C芯片转化效 率 9 0 则在没有 光照 条件 下 持 续供电8 0 h所需总电量 Q 为 l V M H P M H P V cI c 1 0 0 V x 8 0 1 由上式得 p 约为 1 4 8 8 5 m W h 锂 电池在不 同温度 不 同 放电条件下 能够释放出的总电量是不同的 综合考虑 并为系 统留有余量 按电池能释放 叼 8 5 额定容量来估算 则所需 标称电压值 为 3 7 V锂离子电池容量 C估算值如下 C Q 2 x v t 4 7 3 3 m A h 2 白天 日照 8 h 太 阳能电池 板输 出的 电能需要 在给 系统供 电的同时为蓄电池充电 能量采集模块 的效率按 叼 7 0 估 算 所需要的太阳能电池板的额定输出功率约为 P 0 尸 充 电 J P M H P 尸 c P 7 3 3 4 W 3 式中 P 克 垲为蓄电池充电功率 P M 为传感器功率 为C C 2 5 3 0 通信功率 P 为其余部分功率 综上 选用 5 0 0 0 mA h的锂 电池 尺寸为 7 cm 5 e m 1 e m 开路电压 7 V 短路电流6 5 0 m A的太阳能电池板 尺寸为 1 6 5 C l I 1 X 1 6 5 cm 2 2 2路 设 计 节点电源模块电路原理图如图 4所示 由于太阳能电池 板 的输 出电压 随光照强度 的不 同在 0 7 5 V之 间波 动 无 法直 接利用 所以采用 B Q 2 4 2 1 0 芯 片对太 阳能电池板 转化 的电能进 行 收集 图 4 传感器节点电源模块原理 图 B Q 2 4 2 1 0是一款单输入 单节锂离子电池充电器 允许在 对 电池充 电的同时对 负载供 电 最 大电压输 入 电压 2 0 V 并 具 有过 压保 护 功 能 最 高可 对 外 提 供 8 0 0 m A 的 充 电 电 流 B Q 2 4 2 1 0具有阈值可调的输入电压调制循环电路 从而可对输 第 9期 何荣哲等 新型太阳能供电的气体传感器网络节点 6 5 人功率进行动态管理 适用于充电电源电压经常变化的应用 此外 B Q 2 4 2 1 0可以按照预充电 恒流充电以及恒压充电3个过 程对电池进行充电管理 从而延长锂电池寿命 采集 电路 锂 离子电池的输出电压并不能直接被系统使用 所以要选用高效 率的 D C D C开关 电路为 系统提供稳定 电压 节点选用 T P S 6 2 2 0 3 T P S 6 2 1 5 6分别 为 C C 2 5 3 0 MHP O 1 提供 3 3 V 5 V的 供电电压 它们的效率可达 9 0 以上 由于 C C 2 5 3 0需要采集 传感器以及电池电压 节点选用 L M 4 1 3 2为 C C 2 5 3 0片内 A D C 提供 2 5 V外部参考电压 节点选用 D WO 1 芯片对锂电池进 行保护 其电路原理图如图5所示 G J I I I 嚣 臼 I 图 5 电池保护模块 原理图 D WO 1 是一个单块锂电池保护电路 具有高精度的电压 检测与时间延迟电路 能够避免锂电池过充 过放以及电流过 大 从而延长电池寿命 避免电池损坏 在电池两端并联分压 电阻 利用 C C 2 5 3 0内置 A D C采集 电池电压 估算出系统的剩 余电量 节点将根据任务需求和自身剩余电量调整工作状态 以及通信策略 实现有效的电源管理 保障整个网络的稳定运 行 2 3 通信 电路 节点选用的通信芯片是 C C 2 5 3 0 其原理图如图 6 所示 C C 2 5 3 0是符合 I E E E 8 0 2 1 5 4标准的工作在 2 4 G H z频段 的 Z i g B e e无线射频收发芯片 它具有业界领先的 R F收发器 并内置了工业标准的增强型 8 0 5 1 MC U以及 8路输入可配置分 辨率的 l 2位 A D C 1 0 1 此外 C C 2 5 3 0具有多种 电源模式 非常 适合超低功耗系统的需求 为了便于调试与应用维护 在传感器节点上增加 了与计算 机通信的 U S B转串口电路 此部分电路仅在调试 维护时使用 当节点工作时可以将其与电源断开 以节省电能 其原理图如 图 7 所 示 3 软件设计 节点的软件流程如图8所示 节点启动后会加入指定的传 感器网络中 加入网络后节点会根据预定的采样周期向汇聚节 点发送采集到的信息 当信息发送成功后 节点会收到应答帧 并判断应答帧是否含有配置信息 若有则按要求更新节点的工 作状态 否则进入睡眠状态 等待下一次采样时间的到来 4 测试与结果分析 为了测试极端情况下节点的续航能力 向传感器中写入 1 l 1 l 1 1 1 l l 1 l 1 1 2位串行指令 将传感器的四块微热板温度加 热至最高 节点的采样发送周期设为 1 0 0 s 然后对传感器节点 的锂电池电压进行监测 测试环境如图 9 所示 测试 时问 自 7 0 0 开始 锂 电池 起始 电压为 3 7 8 V 节点 的 电源模块在给整个节点供电的同时给锂电池充电 至 1 3 3 0时 G ND P2 0 P2 1 DV DD A V DD5 A V DD S OC AV DD DRE G A V DD3 AV DD2 DGND US B AV DD1 US B M A V DD 4 I s B P A D A RD DV DE I I S B RF P N P 2 4 一 P 2 3 X OS C3 2 M Q1 X OS C3 2 M Q2 DCOUP L RB I AS G ND r 二 L r 2 I T 二 卫 i m 工 I 工 I 工 工 f 工 工 3 ND I GND l GNDGND IGNDGND U 曰 上 D上 工 工 工 工 工 G ND 图 6 通信模块原理图 图 7 US B转串口电路原理 图 电池电压已达到最大值 4 1 8 V 电池电量充满 电压维持稳定 至 l 9 0 o以后完全没有光照 由锂电池对传感器节点供电 至 次 日5 0 0时 电池电压降至4 0 5 V 此时已有阳光 但由于光照 不足 光能转化的电量仅仅能够满足传感器节点供电的需求 而没有多余的电量对锂电池充电 所以直至 7 o 0锂电池电压 变化不大 自此之后 进入 下一个 充 电循环 整个 过程 的 电压 变 化曲线如图 1 0所示 如图 1 0 所示 太阳能电池板在开路状态下和接入电路 的 闭合状态下所测得的输出电压曲线存在一定的差别 产生这一 现象主要有两方面原因 一方面是受太阳能电池板 自身内阻的 影响 另一方面是由于受到 B Q 2 4 2 1 0芯片内部电压调制电路的 影响 随后在完全没有光照的条件下 对传感器网络节点的续 航能力进行了测试 锂电池由起始电压 4 1 8 V 经过 8 0 h连续 放电 电压降至 3 2 9 V 满足了预先的设计需求 同时 实际测 试中发现 在类似阴雨天气 傍晚 黎明等光照不足的条件下 电源模块仍可以输出少量 电能 这部分电能根据光强的不同 一 J j j j卫 j HH H n九n H 即踟踟 m册 黑喧 遴 蔫匝 0 2 1 I ns t r ume n t Te ch n iq u e a nd Se n s o r 启 动 节点初始化 加入网络 皇 配置传撼器 主 采样 发送采样数据l 等待应答确认I 一 等待采样周期到来广 一 图 8 传感器节点软件流程图 图 9 测试环境 时间 图 1 O 节点 电池 电压变化 曲线 可 以不同程度 的减少 电池 电量 的消耗 所 以整个节点在 实际工 作中 即使遭遇连阴天气 其持续的工作时间也将远远超过上 述极端情况下的理论计算值 5 结束语 本文在课题组多年对微热板式气体传感器研究的基础上 选用最新研制 的阵列式气体传感器 芯片 设计 了一个 由太 阳能 供电的用于气体监测的无线传感器网络节点 解决了此类气体 传感器由于需要加热 功耗大 无法达到 自供电的问题 此节 点可以布设在需要对气体进行实时监测的场所 阵列式气体 传感器有 4块微热板 可以根据具体应用环境选择特定的气敏 材料 满足不同环境下对气体的监测的需求 节点的电源模 块 可以汲取太阳能满足节点的供 电需求 从而可以长期工作 而不用更换电池 发挥了无线传感器网络的优势 参考文献 1 安岁芹 有害气 体检 测报 警 仪在 工业 中 的应用 科 技致 富 向导 2 0 0 8 1 8 3 8 4 0 2 刘甜甜 工业有毒气体无线 自动监控 系统研 究 学位论文 哈尔 滨 哈尔滨理工 大学 2 0 1 2 3 H O R NG G J C H A N G T Y T h e a d a p t iv e n o d e s e l e ct i o n m e ch a n i s m s ch e me in s o l a r p o w e r e d w ir e l e s s s e n s o r n e two r k s I n te l l ig e n t Gr e e n B u i l d i n g a n d S ma r t G r id I GB S G 2 0 1 4 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n ce I EEE 2 01 4 l 4 4 胡奇勋 段渭军 王福豹 无线传感器网络节点太阳能电源系统设 计 现代 电子技术 2 0 1 l 6 1 9 9 2 0 2 5 程义军 微 热板气体 传感 器 阵列 的单片 集成 电路设计 学 位论 文 大连 大连理工大学 2 0 1 4 6 薛严冰 唐祯安 陶瓷微热板 阵列式可燃气 体传感 器 光学 精密工 程 2 0 1 2 1 0 2 2 0 0 2 2 0 6 7 T e x a s I n s t r u m e n t s 8 0 0 mA S i n g l e I n p u t S in g l e C e l l L i I o n B a t t e r y S o l a r C h a r g e r E B O L h t t p w w w t i co m l i t d s s y n fl i n k b q 2 42 1 0 p d f 8 王小强 欧阳骏 纪爱国 无线传感器网络节点太阳能供电系统设 计 单片机与嵌入式系统应用 2 0 1 2 3 5 6 5 8 6 1 9 谢卓 赵朋斌 一种锂 电池电量监测电路设计方法 现代电子技术 2 0 1 2 1 1 9 2 1 9 4 1 0 刘传益 基 于能量 收集 与 占空 比优 化的传 感 网节能 技术 研 究 学位论 文 西安 西安 电子科技大学 2 0 1 3 作者简介 何 荣哲 1 9 8 7 一 硕 士研究生 主要从 事无线 传感器 网络相 关技术 的研究 E ma il h e r o n g z h e 1 6 3 co rn 上接第4 9页 些现存热量表功耗大 持久性低 以及小流量状 态下测量精度低等问题 具有较高的推广以及实用价值 参考文献 1 杨仁建 智能超低功耗超声热量表 的研 究与开发 学位论 文 济 南 山东大学 2 0 0 6 2 C J 1 2 8 2 o o 7 中华人民共和国城镇建设行业标准热量表 3 陈晔 低 功耗超声 波热量表 的研制 学位论 文 成都 电子科技 大学 2 0 1 2 4 刘壮 一种 超声 波热 量表 柬流 管件 设计 与实 现 中 国仪 器仪 表 2 0 1 4 4 2 0 2 2 5 刘永辉 杜广生 反射装置对超声 波流量计水 流特性影 响的研究 仪器仪表学报 2 0 1 1 5 1 1 8 3 1 1 8 8 6 姜志成 超声 波反射 装置 对超声 波 流量计 内水 流特性 影 响的研 究 学位论 文 济南 山东大学 2 0 1 0 7 郭银景 任现勇 低功耗超声 波热量表 的设计与 实现 自动化与仪 表 2 0 1 2 1 0 8 1 2 8 李世光 盂强强 基于多串口的热量表系数修正软件 微型机与应 用 2 0 1 2 1 8 1 4 9 J J G 2 2 5 2 0 0 7中华人 民共和 国国家计量检定规程 1 0 柏 久宇 基 于超 声波 检测 技术 的热 能 表研 究 与实 现 学位 论 文 大连 大连交通大学 2 0 0 5 作者简介 高正 中 1 9 7 l 一 副教授 硕士生 导师 研 究方 向 计算 机检 测与控制 P L C与工厂 自动化 智能 电网技术 智能 仪器与 仪 表技术等 郭金建 1 9 9 D 一 硕士研究生 研究方向 电力电子与电力传动 7 6 5 4 3 2 l 0 A 坦

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