新型无线传感器网络节点供电方案.pdf

2 0 1 1年 第 3 0卷 第 3期 传感器与微系统 r r r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 5 7 新型 无线传 感器 网络 节点供 电方案 刘 锋 徐金梧 阳建宏 黎敏 北京科 技大学 机械工 程学 院 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 工业现场对振动信号 等快变量进行采集 时 需 要对无线 传感器 网络节点进 行在线 供 电 通 过分 析开关 噪声对 无线传感器 网络节点 通信质量 的影 响 并结合传感器 网络的工作 特点 给出无线传感 器网络 供电方案的设计要求 针对开关噪声的宽频谱特点 提出适用于无线传感器网络的供电方案 实验表明 该供 电方 案可有效消除 电源噪声 关键 词 无线传感 器网络 开关 噪声 供 电方案 中图分类号 T N9 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 1 0 3 0 0 5 7 0 3 A neW t YPe Ot DOw er S UDDlV s chem e t Or w ire le s s n 1 n s e ns 0 r ne t wo r ks n o d e s L I U F e n g XU J i n WU YANG J ia n h o n g L I Min S c h o o l o f Me c h a n ic a l E n g in e e r in g U n iv e r s it y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y B e i j i n g B e U in g 1 0 0 0 8 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e w ir e le s s s e n s o r n e t w o r k s n o d e s n e e d o n lin e p o we r s u p p ly in o r d e r t o a c q u ir e f a s t v ib r a t io n s ig n a ls in ind u s t r ial e n v ir o n me nt s The in fl u e n c e o f s wit c hin g n o is e o n t e le c ommun ic a t io n is a n a ly z e d a n d t h e de s ig n r eq u ir eme n t s o f p o we r s u pp ly o f wir e le s s s e n s o r n e t wo r k s a r e s u g g e s t e d A s c he me o f p o we r s u pp ly is pu t f o r wo r d c o ns id e r ing t h e wid e s p e c t r u m o f s wit c h in g n o is e s Ex pe r ime n t s s ho w t ha t t he s c he me o f p o we r s u pp ly c a n s u p pr e s s t h e no is e s e f f e c t iv e ly Ke y wor ds wir e le s s s e ns o r ne t wo r ks s wit c hing n o is e s s c he me o f po we r s u p ply 0引 言 无线传感器网络用于工业现场的状态信息采集时 应 用对象和应用 环境 均发 生变化 工业生 产过 程 除需对 温 度 压力 等慢变量进行采 集外 还需对 机械振 动等快 变量 进 行变送 由于在线监测 时无 线传 感器 网络节点连续 工作 时 间长 耗 电量 较大 需要采 用在线供电 工业环境存在大 量 电动设备和工具 尽管进行 了相应保护 仍然对 电网存在 一 定污染 呈现为浪涌电压和高次脉冲群等干扰 相对于线 性电源 开关 电源不仅效率高 体 积小 而且调压 范围广 抗 干扰 能力强 是 工业 环境 理想 的 电源 然 而 开 关 电 源 的工作原 理决定 了输 出电压存在 因功率器件开关动作引起 的电源开关 噪声 对后级 电路将 产生一定影响 尤其对噪声 敏感 的模 拟量采集与无线通信模块影 响显著 文献 2 对 低频 电源噪声对 微 波振 荡器 的输 出之 间的关 系进 行 了研 究 而开关噪声频谱极宽 相对低频噪声来说 对通信模块 的影响更加严重 目前 无线传感器网络所使用的通信芯 片均针 对电池供电进行设计 当电源出现一定噪声时 性能 下降较多 研究噪声对无线传感器网络节点的影响 并提出 一 种合 理的电源方案 对工业 现场快 信号 的采 集具有 重要 意义 对 电源 噪声 滤波 已经进行 了大量 研究 文 献 3 对 市 电 电网滤波器设 计进 行 了研究 文献 4 对开 关 电源 噪声 的机理进行了分析并提出抑制方案 文献 5 对卫星通信 电源滤波器进行了设计 现有的电源滤波方案均采用电感 器与电容器组合滤波 虽然插入损耗小 但滤波效果受器件 限制 文献 6 对基于飞电容的高效率低噪声电荷泵进行 了研 究 然 而 电荷泵一般 工作 于高频切 换状态 仍 然会产 生尖峰干扰 且受高速 电容容量限制 持续供 电能力有 限 本文基于 C C 2 5 1 1芯片 首先 对 开关 电源噪 声 引起 的 无线传感器节点性能变化进行测量和分析 根据无线传感 器网络节点工作特点 提出适用于快信号采集的无线传感 器 网络电源供电方案 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 0 2 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 6 7 4 0 1 0 国家 8 6 3 计划资助项 目 2 0 0 7 A A 0 4 Z 1 6 9 5 8 传 感 器 与 微 系 统 第 3 O卷 1电源噪声分析 开关 电源通过 电子 开关 对 高压直流 电源进 行高频斩 波 为降低 电磁 于扰 并 考虑 到 开 关 管 的损 耗 一 般 选择 1 0 0 k H z 左右的方波进行 开关 控制 在小功 率场合 一般使 用金属氧化物场效应管 MO S F E T 进行斩波控制 文献 7 对高频应 用下 的 MO S F E T进行 了分析 并 给出一 个典 型 的 N沟道 MO S F E T模型 如图 1所示 nr a in G 图 1 M OS管 模 型 F ig 1 M OSmo de l 图 1中 C 与 C 的分别为栅漏极 问和源漏极间的寄生 电容 两者相加为 MO S F E T的输出电容 与开关 变压器的初 极绕组形成 L C振荡 成为 MO S F E T开关噪声 的主要来 源 这种寄生振 荡由于线路 中 电阻的影响 是一种 快速衰 减的 阻尼振 荡 这种阻尼振 荡持续时 间短 一般在几微秒左右 具有很宽 的频谱 可以通过开 关变压 器的磁路 与初次极 线 圈间的寄生 电容进入电源输 出级 图 2为某开关 电源输 出 端 实测开关噪声电压 B J I I 1 0 s 图 2电源开关噪声波形 Fig 2 W a v e f o r m o f s wit c h in g n o is e o f p o we r 由图 2看 出 开 关噪声 是周 期 出现 的 电压 冲击 幅 度 高 宽度窄 通过电缆进行 基带传输 时 开关噪声 为加性 噪 声 对数据 的影响是短暂的 可以通过对数据信号多次采样 和大数判别来大幅降低误码率 然而 无线通 信时 需要对 基带数据进行放大与调制 信号调制为非线性处 理 对输入 信号与电源噪声进行了乘法运算 开关噪声参与调制后 相当于对基带信号的频谱进行了周期性搬移 大量经频谱 搬移后 的基带信号 的功 率谱迭 加后 成 为在频 域 内均匀 分 布的常数 即开关 噪声发生 了 白化 成为基 底噪声 在 时域 中不 再是周期 脉冲串 呈 现为带 限白噪声 图 3为存在 开 关噪声和 不存 在 开关 噪 声 时 的功 率谱 对 比 测 量 对 象 为 C C 2 5 1 1电路 使用2 F S K调制 数码率为3 1 k b p s 发射功率 为 0 d B m 收发天线间距 2 m 由图 3看出 开关噪声经过调制后 呈现为 白噪声 对 图 3 无线信号功率谱 F ig 3 Po we r s p e c t r u m o fwir e le s s s ig na l 于非相干解调 在门限判决时刻 噪声引起的信号幅度与过 零时机的抖动 均会导致较高的误判率 图 4为迭加开关 噪声前后 信号眼图的对比 乏 蜓 0 6 4 0 6 2 5 6 1 时间 tx s a 发射功率为 0 d B m 电池供 电时 的眼图 a 1 e y ed ia g r a m f o r b a t te r y s u p p lywit hthet r a n s mitt i n gp o we r o f 0d B m 0 6 40 6 2 5 6 1 时问 s b 发射功率为一 0 d Bm 电池供电时的眼图 f b e y e d i a gra m f o r b a tt e ry s u p p ly with t h e t r a n s mitt i n g p o we r o f 1 0 d Bm 之 5 小 一1 5 0 6 4 0 6 2 5 6 1 时 间 p s c 发射功率为 0 d Bm 开关电源供 电时的眼图 c e y e d ia gra m f o r s wit c h in g mo d e p o we r s u p p ly with t h e t r a n s mi t t in g po we r of0 dBm 图 4 信号眼图比较 F ig 4 Co mp a r is o n o f e y e d ia g r a m 从图4可看出 当没有开关电源噪声时 随着接收信号 强度变 低 眼 图张开 的程度 会 下降 而判 决时 刻却不 受影 响 而迭加 开关 噪声后 眼图 发生严 重时 间抖 动和幅度 抖 动 即使维持较高的发射功率 仍无法抵抗噪声干扰 这将 严 重影 响信 号的误码率 在图 4所示 3种情况下对 丢包率 进行实 际统计 结果如表 1 所示 测量条件为 包长为 4 0字 节 数据速率为 3 1 k b p s 表 1 误包率统计 Ta b 1 Pa c k e t e r r o r r a t e 由表 1看出 当迭加了开关噪声后 丢包率急剧升高 要降低丢包率 就要对开关噪声进行抑制 消除干扰 铷跏 啪 2 一 一 一 一 一 g 鲁l 斛 5 A 删 呈 J 第 3期 刘锋 等 新型无线传感器网络节点供电方案 5 9 2电源 的优 化方案 为隔离工业 电网 中的各 种噪 声 同 时为保 证工 业生 产 安全 一般采用 开关 电源将 工业 电 网中 的高压 电降 为安全 电压 通过 电源总线将低 压直流 电传输 至用 电单元后 再通 过 D C D C模块将 2 4 V直流 电转换为所需要 的电压 典型 的 供 电拓 扑如图 5所示 这种两级 电源模式 可有效 隔离电 网 中的浪涌 高次脉 冲群 等干扰 然而 无论 A C D C还是 D C D C都工作于开关模 式 均会 产生 大量 开关 噪声 直 接影 响 了模拟 电路 的数据采集与无线通信 的链 路质量 图 5工 业 环 境 配 电 方 案 Fig 5 Po we r s c he me in ind u s t r ia l e nv ir o nme nt s 2 1 电源 滤波 方 案 对电源进行滤波 是抑制电源噪声最直接的处理方法 由于开关 噪声的频谱非常宽 如果通过 L C低通滤波进 行噪 声抑制 要求组成滤 波器 的 电子器件 在一 个很 宽 的频域 范 围内具有均衡 的参数 而这一点实 际器件很 难做到 这 是 因为在不 同的频 率范 围 电感 与 电容体 现不 同 的性 能 对 于集总参数的电感与电容 随着信号频率的升高 引线与电 极问的寄生参数变得突出 其感值和容值将会发生变化 在 电感中的容性参数和电容 中的感性参数均出现显著提高 同时 当感性 器件串人工作 电路 的前 级 后 级数字 电路 的开 关电流会在 电感上引起 自感 电势 形成 谐振 反而 扰乱 了电 压 电阻对于频率是不敏感 的 无论高 频还是 低频 阻值不 会发 生明显变 化 一 个 R C滤 波器 即使在 高频 下 电容 转 为感性或 者阻性器件 也 只不 过是 与所 串 电阻组 成一个 分 压 网络 仍然可 以对 噪声 进行 抑 制 一个 大压 差 的三端 稳 压器 便是通过对一个可 变电阻进 行动态 分压调 节 对 输 出 电压进行稳压 噪声大部分能量耗 散在可 变电阻上 以热量 形式散发 可有效抑制宽频范 围内的噪声 图 6为 L C滤波 电路 图 6测试 电路 F ig 6 Te s t in g dr c m t 2 2间歇 供 电方 式 通过 在节 点 电路 中 D C D C模 块 与工作 电路 问加装 两 组储能器件 比如充电 电池或者大容 量电容器 通过 开关定 时切换 两组器件分 时工作 由含噪 电源 对不参 与供 电的储 能 器件进行充电 也可 获得不间断供 电的纯净 电源 只是 在 切换 电路工作时产生短时开关噪声 为减少开 关的切换 动 作 次数 需要加大 储能 器件 的容量 然 而这样 一方 面极 大 增加 了电路 复杂度 同时增加 了电路成本 大容量 大 电流 的 电容器 造价等 同于充 电电池 大量节点组 网通信 时 所有节点并 非 同时工作 总有部 分节点处于休 眠状态 即使对 快速 信号 的采 集 往 往也 是 间歇式进行 因此 可设计 一种供 电电路 只要保证节 点工 作时处于低噪声状 态即 可 即采用 一种 间歇 式供 电方法 满 足电路供电要求 电路如 图 7所示 图 7间歇供 电电路 Fig 7 Cir c u it o f int e r m it t e n t p o we r s u pp ly 图 7中 D C D C的输 出电压并非直接供给用 电电路 而 是通过一个 高速 开关 的 P沟道 MO S管 对 1 0 0 0 的电容 器进行间歇充 电 在 充 电时 T l 处 的电压 存 在大 量开关 噪 声 电压处 于上 升阶段 而在关 断 MO S管后 T 1中的噪声将 被关 断 电容器 开始放 电 电压 出现 下 降 当电压 低于工 作 电路的低压 门限时 MO S管重新 打 开并开始 对 电容器再 次 充 电 调整工作 电路 使 其 工作 时间始 终处 于 电容器 的放 电阶段 即可获得纯 净 电源 MO S管 的输 出电容仍 然会 将 部 分开关噪声导入末级 电路 因此 在电路设 计时应该尽 量 选择输 出电容小的 MO S管或者其他类似 电子开关 在 图 7 中测点 T l 处 对地接有 2 5 Q 的假负载 对 T 1处电压值进 行实 际测量 MO S F E T使用 仙童 公 司的 S F R 9 0 3 4 波 形如 图 8所 示 之 出 删 时 I 司 s 图 8间歇供 电电压纹 波 Fig 8 Vo lt ag e ri p ple o f in t e r m it t e n t po we r s u p ply 由图 8看 出 在 电 容 器 充 电 电 压 噪 声 峰 峰 值 约 为 5 0 m V 而在 电容器放 电期 电压 噪声峰 峰值 在1 0 m V以 内 下转第 6 6页 传 感 器 与 微 系 统 第 3 O 卷 收率 能够达到 8 0 以上 并得到 了现有模型下 的最优 膜厚 值 对于吸收层膜厚 d 在 0 0 1 0 1 m范 围内越厚 吸收率 越大 而空腔高度 d 的值为 2 m要略小于理论值 1 4波长 谐振腔 2 5 L L m 此外 比较了垂直入射和倾斜入射 2种情况 下多层 膜系的红外吸收特性 得 出结论 当入射光垂直 入射 时 红外吸收率 最大 而 当微桥 形变q L 4 d 保持 入射 角度在 2 0 以内时 并不十分影 响器 件的红外 吸收率 通过 以上 的 这些分析 为以氧化钒为热敏感材料 的微测辐射热计的研制 提供了可靠依据 参考文献 1 B r e e n T B u t l e r N M a r s h a l l C A e t a 1 A s u m m a r y o f a p p li c a t i o n s o f u n c o o l e d m i c r o b o l o m e t e r s e n s o Y s C P r o c I E E E A e r o s p C o n f 1 9 9 9 3 3 61 3 7 4 2 R 0 s k i A I n fr a r e d d e t e c t o r A n o v e r v i e w J h ff r are d P h y s i c s T e c h n o lo g y 2 0 0 2 4 3 1 8 7 2 1 0 3 Wo o d R A K r u s e P W S k a t r u d D D U n c l e d I n f r a r e d I ma g i n g A r r a y s a n d S y s t e ms M S e m i c o n d u c t o r s a n d S e m i m e t s 1 9 9 7 4 7 8 1 4 董良 岳瑞峰 刘理天 微测辐射热计 的光学 与热学设计 J 红外与毫米波学报 2 0 0 3 2 2 2 1 0 9 1 1 3 5 L i S h i b i n g Wu Z h i mi n g J ia n g Y a d o n g e t a 1 O p t i c a l p r o p e rt y a n a ly s i s o f m i e r o b o l o me t e r b a s e d o n ME MS C I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e a n d Ex h ib it io n o n I n t e g r a t io n a n d C o mme r c ial iz a t io n o f Mic r o a n d Na n o s y s t e ms S a n y a C h in a 2 0 0 7 2 5 9 2 6 3 6 唐晋发 郑权 应用薄膜光学 M 上海 上海科学技术 出版 社 1 9 8 4 3 9 8 1 7 Y a n a g i ma c h i T H i g h p e r f o r m anc e and h i g h l y s t a b l e 0 3 n m f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m i n t e r f e r e n c e o p t i c a l fil t e r s J A p p l O p t 1 9 9 4 3 3 1 6 3 5 1 3 0 5 I 7 8 麦克劳德 H A 斜入射薄膜 C 唐晋发 译 光学薄膜论文集 北京 薄膜光学学会 北京光学学会 1 9 8 3 9 1 9 9 T h e l e n A D e s i g n o f mu l t i l a y e r i n t e r f e r e n c e fil t e r s J P h y s i c s o f T h in F ilms 1 9 6 4 5 4 7 8 5 1 0 P a l ik E D H a n d b ook o f O p t i c a l C o n s t a n t s o f S o li d s M A c a d e m i c P r e s s I n c 1 9 8 5 3 9 4 7 7 4 1 1 F o l k s W R G i n n J S h e l t o n D e t al S p e c t r o s c o p i c e l li p s o m e t r y o f m a t e r i als f o r i n f r are d m i c r o d e v i c e f a b ric a t i o n J P h y s S t a tu s S o l i d i 2 0 0 8 5 1 1 1 3 1 1 1 6 1 2 T a f t E A C h ara c t e r i z a t i o n o f s i l i c o n n i t r i d e fil m J J E l e c t r o e h e m S o c ie t y 1 9 7 1 1 1 8 1 3 4 1 1 3 4 6 1 3 S c h i me r t T R a t e li ff D B r a d y J e t a 1 L o w c o s t lo w p o w e r u n c o o le d A S i b a s e d mic r o infr a r e d c a n e r a f o r u n a t t e n d e d g r o u n d s e n s o r a p p li c a t i o n s c J P r oc S P I E 1 9 9 9 1 0 1 1 1 1 作者简介 赵赫男 1 9 8 6一 女 辽宁沈 阳人 硕士研究 生 研究方向为微测 辐射热计结构设计与仿真 tj 0 卢 0 屯 j t t 0 上接第 5 9页 与电池供电为同一量级 利用 图 7 所示 电路对 C C 2 5 1 1 模块 进行供电 并重复表 1所述实验 在 lO d B m的发射功率下 进行 lO次收发包实验 每次收发 1 0 0 0包 均未发生丢包 3 结论 通过分析开关电源对通信电路的影响 发现有源供电 时 开关噪声成 为影响无线 传感器节点 无线通信 的主 要因 素 由于 电源开关噪声频谱很宽 无法通过直接滤波的方式 消除噪声 需要通过 电阻分压方式降低噪声水平 然 而 这种 大压差式稳压带来功耗的增加和器件温度的升高 仅适用于 低密度且节点散热 良好的 网络 对于间歇工作的无线传感 器网络节点 可采用间歇供 电方式 在节点工 作期间切断噪 声源 而在休 眠状态对储能器件进行充电 以获得 电路所需 的高纯净电源 参考文献 1 张波 开关电源的优点及应用 J 电气开关 2 0 0 7 3 7 1 3 9 4 0 4 3 2 薛红波 于洪喜 电源噪声与微波振荡器输 出杂波 的关系研究 J