中心議題:

• 無線傳感器網絡電源智能控製係統方案的討論

解決方案:

• 係統電源模塊硬件設計
• 電源各路開關控製模塊電路設計
• 電源轉換模塊電路設計

 引 言

無線傳感器網絡是一種由傳感器節點構成的網絡
，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度
、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)，並對這些信息進行處理後以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測
、醫療護理、智能家居
、工業生產控製以及商業等領域有著廣闊的應用前景。

無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)大(da)部(bu)分(fen)是(shi)采(cai)用(yong)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)，工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)通(tong)常(chang)比(bi)較(jiao)惡(e)劣(lie)。而(er)且(qie)數(shu)量(liang)大(da)，更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)，所(suo)以(yi)低(di)功(gong)耗(hao)是(shi)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)設(she)計(ji)準(zhun)則(ze)之(zhi)一(yi)。在(zai)網(wang)絡(luo)節(jie)點(dian)有(you)些(xie)模(mo)塊(kuai)不(bu)工(gong)作(zuo)或(huo)者(zhe)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)時(shi)，就(jiu)可(ke)以(yi)將(jiang)其(qi)供(gong)電(dian)電(dian)路(lu)斷(duan)開(kai)以(yi)節(jie)約(yue)用(yong)電(dian)
，當(dang)有(you)指(zhi)令(ling)將(jiang)其(qi)喚(huan)醒(xing)時(shi)，則(ze)接(jie)通(tong)其(qi)供(gong)電(dian)電(dian)路(lu)以(yi)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。這(zhe)樣(yang)便(bian)可(ke)有(you)效(xiao)節(jie)約(yue)電(dian)能(neng)，延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)供(gong)電(dian)時(shi)間(jian)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，同(tong)時(shi)也(ye)保(bao)證(zheng)了(le)整(zheng)個(ge)網(wang)絡(luo)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)質(zhi)量(liang)
，延(yan)長(chang)了(le)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。

1 係統電源模塊硬件設計

本係統電源模塊主要對電源檢測、電源開關智能控製以及電源轉換進行了設計。電路係統硬件構成框圖如圖1所示。

本電源係統各部分主要實現的功能如下：供電電源由2塊12 V的鉛酸蓄電池串聯而成，為係統提供24 V的直流電壓；dianchijiancemokuaizhuyaoshitongguoduigongdiandianyuandeshuchudianyajinxingquyang，yihuoquxudianchidedianliangxiaohaoxinxi，shishiduidianchichongdianyibaozhengzhenggexitongzhengchangwendingdegongzuo
；電dian源yuan各ge路lu開kai關guan控kong製zhi模mo塊kuai主zhu要yao是shi根gen據ju係xi統tong負fu載zai的de工gong作zuo狀zhuang態tai，通tong過guo開kai關guan控kong製zhi決jue定ding是shi否fou為wei該gai負fu載zai供gong電dian，以yi此ci來lai降jiang低di待dai機ji功gong耗hao，延yan長chang電dian池chi的de使shi用yong時shi間jian；電源變換模塊主要用模塊DC-DC轉換器作為構建單元實現電源電壓的轉換為負載提供合適的電壓。
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1.1 電池檢測模塊電路設計

電池檢測模塊通過對供電電源輸出電壓取樣來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、24.2～25 V為電池電量充足狀態、23.5～24.2 V為電池正常工作狀態

、22.8～23.5 V為電池電量不足但尚能工作狀態、22.8 V以下為電池不能正常工作狀態5個狀態

，通過狀態讀取來判斷電池能否正常為整個係統供電
，決定是否為電池充電
，以保證整個係統的正常運行。該模塊電路結構如圖2所示。
該模塊電路主要由低壓差線性調壓器(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)構成。低壓差線性調壓器LMlll7提供3.3 V的基準電壓
，與取樣電阻所獲得的取樣電壓輸入電壓比較器LMl39進行比較，再由電壓比較器輸出的高低電平，經過反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進行編碼
，通過編碼器輸出的二進製碼來反映電池電量信息。

電池電壓取樣電阻網絡是通過取樣電阻的組合對電池的輸出電壓進行分壓取樣，各電阻端點對應的電池電壓狀態值分別為：R2對應22.8 V
，R3對應23.5 V，R4對應24.2 V，R5對應25 V。當電池輸出的電壓值等於各個電阻設定的狀態值時，則該電阻端取樣電壓為3.3 V
；當電池輸出的電壓值大於各個電阻設定的狀態值時，則該電阻端取樣電壓大於3.3 V
；當電池輸出的電壓值小於各個電阻設定的狀態值時，則該電阻端取樣電壓小於3.3 V。取樣電阻R1，R2，R3，R4
，R5的取值可由下麵的方程組求得：

解得：
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編碼器74HCl48低電平有效，所以在比較器LMl39的後麵又接了反相器74HC04，編碼器輸入/輸出的二進製碼(真值表)與電池電壓的關係如表1所示。 1.2 電源各路開關控製模塊電路設計

該電源係統各支路的開關控製主要由場效應管構成的開關電路來實現。實現該功能的電路結構如圖3所示。
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場效應管選擇了增強型P溝道場效應管IRF9640和增強型N溝道場效應管VN2222L。以場效應管IRF9640作為開關管來控製電路的通和斷，以場效應管VN2222L作為開關控製管來控製場效應管IRF9640的開和關。當控製信號輸入端輸入高電平時
，開關電路導通；當控製信號輸入端輸入低電平時，開關電路斷開。經過試驗測得：當控製信號電壓從0 V逐漸上升到1.8 V時開關導通；當電壓從高電平(如3.3 V)逐漸下降到1.8 V時開關斷開。此開關電路的性能如圖4所示。

1.3 電源轉換模塊電路設計

電源轉換電路芯片主要選用的是金升陽公司的DC/DC模塊電源並配以78係列三端穩壓電源。

DC／DC模塊電源產品特點有：寬電壓輸入(2：1～4：1)，效率高達85％
，高低溫特性好，能滿足工業級產品技術要求，工作溫度：-40～+85℃
，隔離電壓1 500 V DC，雙輸出，金屬屏蔽封裝
，國際標準引腳方式
，MTBF>1 000 000 h。

為了確保在滿負載條件仍能很好地保持在最佳的工作狀態，需要外加電容
，為了進一步減少輸人／輸出紋波
，可將輸出電容Cout電容值適當加大或選用串聯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係列三端穩壓電源據典型電路應用輸入輸出外接電容分別選擇了O.33μF和0.1 μF的電容。

2 結 語

闡chan述shu了le無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de基ji本ben概gai念nian，分fen析xi了le電dian源yuan模mo塊kuai對dui於yu無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo整zheng個ge係xi統tong能neng否fou安an全quan可ke靠kao工gong作zuo的de至zhi關guan重zhong要yao性xing，詳xiang細xi介jie紹shao了le無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo電dian源yuan係xi統tong的de構gou成cheng以yi及ji各ge模mo塊kuai的de電dian路lu結jie構gou和he功gong能neng的de實shi現xian過guo程cheng，並bing通tong過guo實shi驗yan調tiao試shi證zheng明ming其qi性xing能neng達da到dao了le預yu定ding的de性xing能neng要yao求qiu。