自供电无线传感网络节点设计.pdf

2012 年 第 7 期 仪 表 技 术 与 传 感 器 InstrumentTechniqueandSensor 2012 No 7 基金项目 机械制造系统工程国家重点实验室开放课题研究基金 sklms2011008 收稿日期 2011 10 20收修改稿日期 2012 04 11 自供电无线传感网络节点设计 孟庆春1 3 陈光柱2 3 1 中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州221008 2 成都理工大学核技术与自动化工程学院 四川成都 610059 3 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 陕西西安710049 摘要 针对无线节点续航难题 提出一种自供电无线传感网络节点设计方案 该方案采用双晶悬臂梁式压电振子自 发电结构 针对传统以电容为存储介质的能量收集电路的缺陷 采用新型压电能量收集存储芯片 LTC3588 1 及 LTC4071 搭建电路 设计无线节点模块并进行试验分析 试验结果表明 该方案能量收集效率高 可满足占空比为 1 的无线传感 网络节点工作需求 且适应于各种复杂振动环境 关键词 无线传感网络节点 自供电 压电振子 能量收集存储电路 中图分类号 TM619文献标识码 A 文章编号 1002 1841 2012 07 0102 03 Design of Self Powered Wireless Sensor Network Node MENG Qing chun1 3 CHEN Guang zhu2 3 1 School of Mechanical and Electrical Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou221008 China 2 College of Nuclear Technology and Automation Engineering Chengdu University of Technology Chengdu610059 China 3 State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering Xi an Jiaotong University Xi an710049 China Abstract A design scheme of self powered wireless sensor network node was proposed according to its lack of endurance The self powered structure was double crystal cantilever piezoelectric vibrator Traditional energy harvesting circuit used capacitances as the storage medium According to this defect new piezoelectric energy harvesting chips LTC3588 1and LTC4071 were used to build the circuit The wireless sensor network node was designed and tested The experimental results show that the energy harvesting effi ciency of this scheme is high The system can meet the work demand of wireless sensor network node whose duty cycle is 1 And it can adjust to all kinds of complex vibration environment Key words wireless sensor network node self powered piezoelectric vibrator energy harvesting circuit 0引言 传感网络技术作为一种新兴的监测技术 在生产生活中具 有广泛的应用 传感网络 尤其是无线传感网络 能量供应对 其影响很大 一般采用电池供电 而电池的使用寿命有限 然 而工程中无线传感网络节点常常由于监测位置等原因 电池的 更换有时非常困难 因此 为了实现整个传感网络的长期有效 的工作 延长无线传感网络应用寿命和降低成本 如何为无线 传感网络提供足够的 长期的能量是首先需要解决的问题 有 效的实现方法是收集传感网络周围环境中的能量 并加以储 存 从而为无线传感网络供能 无线传感网络节点的使用场合 中存在诸多形式的机械振动能 采收环境振动为节点提供实时 能量供给已成为国际研究热点 1 2 目前的能量收集方式主 要有电磁式 压电式 静电式 3 种 3 5 其中压电式能量收集 具有结构简单 便于集成的优点 应用前景广泛 1压电振子自发电结构及工作原理 压电自发电以正压电效应为理论基础 通过压电振子的变 形实现机械能向电能的转换 达到发电的目的 其发电原理主 要基于第一类压电方程 其边界条件为机械自由 电学短路情 况 6 D dT TE S SET dtE 1 式中 D 为电位移 d 为压电应变常数 dt为 d 的转置 S 为应 变 SE为弹性柔顺系数 T 为应力 E 为电场 T 为介电常数 设计中的自发电结构采用双晶悬臂梁式压电振子 压电振 子结构如图 1 所示 由压电层与中性层组成 中性层采用可导 电磷青铜薄板 压电层为 PZT 5H 压电陶瓷 分布在金属薄板 上下端面 压电层与金属薄板之间通过导电胶粘接 其发电 过程为 压电振子随外界激振力振动 压电层产生变形 由于压 电效应 表面产生电荷 当振动停止 变形恢复 则电荷消失 当外在激振频率等于压电振子的固有频率时 即处于谐振状态 时 压电材料产生最大变形 发电效果最佳 输出电压或电荷量 最大 这种双晶悬臂梁式压电振子结构简单 发电能力强 谐 振频率较低 适用于实际生产实践中 压电振子长度为 50 mm 宽度为 10 mm 厚度为 1 3 mm 在 幅值电压 Vp p为0 3 V 的简谐正弦激振力的作用下 不同激振频 率其输出功率如图2 所示 由图2 可以看出 压电振子在54 05 Hz 的激振频率下 变形最大 发电能力最强 功率为945 W 2新型能量收集存储电路搭建 压电振子产生的是微弱的交流电信号 无线传感网络节点 第 7 期孟庆春等 自供电无线传感网络节点设计103 工作需要的是稳定的直流电信号 传统的能量收集存储解决 方案是采用整流桥将交流信号转换为直流信号 再通过电容储 存能量 供给外部负载 其中应用较为广泛的有标准能量收集 电路 倍压能量收集电路 电荷同步获取电路 7 8 然而电容存 储电能有限 而且需要持续的电荷输入 节点工作环境复杂 若压电振子在一段时间内无法工作 不输送电荷 待电容存储 能量消耗完毕 节点就无法正常工作 针对这个问题 采用能量收集存储芯片搭建了能量存储电 路 9 如图 3 所示 电路由一个 LTC3588 1 能量收集器 2 个 LTC4071 并联电池充电器 2 个 LIR750 8 mAh 锂电池以及外部 电路构成 其工作原理为 通过 LTC3588 1 芯片及外部电路 将压电振子产生的交流电压转换为恒定直流电压 供给节点工 作 同时利用 LTC4071 芯片及充电电路将剩余的能量存储在充 电电池中 实现无线传感节点的自供能 LTC3588 1 集成一个低损耗 全波桥式整流器和一个高 效率降压型转换器 将压电振子产生的交流电能转换成良好调 节的直流输出 可为无线传感节点供电 LTC3588 1 在 2 7 20 V 的输入电压范围内工作 可选 1 8 V 2 5 V 3 3 V 和 3 6 V 输出电压 可根据系统要求进行选择 其输入位于 PZ1 和 PZ2 而输出则位于 VIN 和 GND 文中输出电压由 D1 和 D0 设 定为 3 3 V LTC4071 电池充电器的作用是对锂电池进行断续 或连续充电 充电电流范围为 550 nA 50 mA 由于其低工作 电流 很适宜为低容量锂离子电池进行能量收集 图 3新型能量收集存储电路 3无线节点模块设计及供电能力分析 自供电的无线传感网络节点主要包括压电发电模块 能量 收集存储模块 无线节点模块 如图 4 所示 图 4自供电的无线传感网络节点 无线节点模块包括微处理器模块 无线传输模块以及传感 器模块 由于压电振子产生电荷能力较弱 因此文中的自供电 无线传感网络节点设计应基于低功耗原则 由于需要一定的 时间收集能量为节点工作供电 无线传感节点应为间歇工作模 式 文中节点工作的占空比为 1 微处理器选用 MSP430F449 单片机 其工作电压为 3 3 V 工作电流为 500 A 待机电流为 2 6 A 无线传输模块选用 nRF24L01 无线收发器 其工作频段 为 2 4 GHz 无线通信速度可达 2 Mbps 其功耗低 发射模式下 工作电流为 9 mA 接收模式下工作电流为 12 3 mA 空闲模式 下电流为 22 A 工作电压为 1 9 3 6 V 传感器选用 VTI 的 CMA3000 D01 是一个由 3D MEMS 传感元件和信号调节专 用芯片组成的晶片级的三轴加速度传感器 其工作电压为 1 7 104Instrument Technique and SensorJul 2012 3 6 V 其功耗低 测量模式下的工作电流为 11 A 待机模式 工作电流为 3 A 需要供电的单元有 MSP430F449 单片机 nRF24L01 无线收 发器以及 CMA3000 D01 加速度传感器 该自供电无线传感 节点工作过程如下 压电发电模块通过压电振子的弯曲变形产 生微弱的交流电信号 送入能量收集存储模块 该新型能量收 集存储模块有两种工作模式 充电模式和放电模式 充电模 式 无线传感节点是断续工作的 能量收集装置在环境的连续 振动下 首先工作在充电模式下 由压电振子产生的电能通过 LTC3588 1 进行整流存储在电容 C2上 并转换成 3 3 V 标准 电压输出 供节点使用 同时 存储在电容 C2上的电能通过 LTC4071 芯片的调理 为两块锂电池充电 放电模式 当压电 发电模块无法输出电荷时 LTC3588 1 的 VIN 端电压下降 充 电电池开始向 C2释放电荷 使节点正常运行 根据环境中采 收能量与否 充电模式与放电模式交替运行 无线节点模块中 传感器采集数据送入 MSP430F449 单片机进行处理 并通过 nRF24L01 无线收发器发送给附近节点 经试验分析 若节点以 1 的占空比工作 压电发电模块在 节点休眠的时间内可积累的电荷约为100 mA 大于节点收发一 次所需能量 满足节点一次工作要求 同时 两块容量为8 mAh 的 LIR750 可充电锂电池可在约 100 h 的时间里充满电 4结束语 提出了一种自供电无线传感网络节点设计方案 通过压电 自发电结构的设计 新型能量收集存储电路的搭建 有效解决 了节点持续供电难题 该方案采集效率高 充电和放电两种供 能方式的交替运行 使得该方案可适用于各种复杂的振动环 境 参考文献 1 SODANO H A INMAN D J PARK G A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials Shock and Vibration Di gest 2004 36 3 197 205 2 EMICKA M VASIC D COSTA F Energy harvesting from vibration u sing a piezoelectric membrane Phys IV France 2005 128 187 193 3 KIM S CLARK W W WANG Q M Piezoelectric energy harvesting u sing a diaphragm structure SPLE 2003 5055 307 318 4 GLYNNE JONES P TUDOR M J BEEBY S P et al An electromag netic vibration powered generator for intelligent sensor systems Sensors and Actuators A 2004 110 334 349 5 MITCHESON P D MIAO P STARK B H et al MEMS electrostatic micro power generator for low frequency operation Sensors and Actua tors A 2004 115 523 529 6 张福学 王丽坤 现代压电学 上册 北京 科学出版社 2002 26 32 7 潘家伟 基于压电效应的能量收集 学位论文 南京 南京航空 航天大学 2008 8 马勇 基于非线性开关的能量回收系统的研究 学位论文 南 京 南京航空航天大学 2008 9 BARBEHENN G H 真正摆脱电网的束缚 面向无线传感器的坚固 型能量收集系统 J OL 2011 03 23 2011 08 15 ht tp www 21ic com app control 201103 79500 htm 作者简介 孟庆春 1989 硕士研究生 研究方向为无线传感网络 E mail govmqc 163 com 上接第 101 页 工件尺寸影响而 8 路门前沿大小会不同 8 路回波门宽计时则 不是同时启动 因此为了提高 CPLD 宏单元的利用率 门前沿 计时 控制适合用语句实现 门宽计时适合用宏功能模块 LMP COUNTER 而控制适合用语句实现 结合回波门参数特点 用 回波门控信号控制 LMP COUNTER 的高电平有效 异步清零信 号 SCLR 用时钟作 LMP COUNTER 的时钟 CLK 将 LMP COUNTER 的计数输出 Q 5 0 通过语句与门宽设定值比较控 制门宽 图 5 为基于 CPLD 数字法单通道回波门参数仿真结果 在 该图中 当 cs 0 addr wr 3 0 0 data wr 5 0 7 时 在 wr 下降沿将回