优化太阳能电源进行远程无线传感器内部基于IEEE 802.15.4标准提供服务

文摘

没有永久供电的智能无线传感器电连接是一个普遍问题,通常采用替代能源来解决。最常用的来源之一是太阳能的太阳能电池板和充电电路。然而,它是不可能找到一个解决方案在市场操作在多变的天气,阳光强度不是很高的地方。这个事实让我们优化的太阳能电池板和所有电路的开发可靠的无线传感器供电。特别为锂离子电池充电电路和电源适配器电路稳定的开发和优化无线传感器工作电压很低的能源消耗和效率高。

1。介绍

无线传感器目前主要用于测量不同变量(温度、照明湿度等)。1]。这些传感器通常放置在室外环境中没有电连接。在这些情况下,通过选择适合电力无线传感器供电。有几个现有的替代能源。然而,风能是不适合供电无线模块小体积由于机械和大小问题井的不适合在城市人口密集地带(2]。除了问题,风能,水能是有问题的传感器或本地化的水源。

这些电源能够提供大量的能量,数十兆瓦。例如,机翼涡轮转子叶片直径100米可以提供3兆瓦电力,风力发电厂,看到Pchery [3]。这样的性能,分别,这样电流很难适应功率无线嵌入式系统对于电源管理的需要,系统安全问题和干预。除了这些还存在能源来源wireless-embedded系统更合适。它是能量收获来源基于压电原理,振动、热、声、太阳能。命名的选择来源,太阳能能源是最合适的功率密度和功率无线传感器。这句话说明这篇文章(4]作者比较替代技术的电源功率密度在瓦特/厘米³。太阳能电池能量密度生成的mW /厘米³相比其他来源,如压电、振动、热电、声提供μW /厘米³。

有几个标准无线传感器,内部IEEE 802.15.4是最适合提供服务的低功耗以及睡觉状态模式的选项。这一事实说明这篇文章(5)负责内部传感器网络基于IEEE 802.15.4标准的和他们的应用程序提供服务葡萄酒环境(葡萄酒增长条件的测量)。它证实了这个标准的适用性结合替代电源和偶尔使用情况数据发送。数据发送的频率可以每天两次,和其余的时间降低功耗的无线模块状态。这些设备的功耗传输模式是默认120 mA。从30到70毫安接收模式吸收,而在睡眠模式改变为2.6μ(6]。

基于前面的部分可以操作无线传感器很长一段时间的条件优化设计的充电电路,电池,和转换器7]。

2。问题定义

空气污染带来了一个严重的问题对于一些世界各地的工业城市。不幸的是,这甚至适用于特定的欧洲城市,2大浓度的非常危险的污染仍然存在。污染最严重的城市之一,欧盟是斯特拉瓦在捷克共和国。这个工业城市人口近30万人居住在某些情况下或在工厂内部,如安赛乐米塔尔钢铁或Vitkovice。因此,监测环境质量现状的强烈需要。由于城市集聚占地面积没有山脉主要是多风的天气,需要大量的遥感器站监控等广大地区。

目的是开发一个复杂的智能传感器和通信接口,能够与网络中其他节点通信和传输数据操作员站。有必要这样的传感器提供复杂的替代电源系统仍然需要开发和测试。还有一个请求有一个低成本的解决方案,允许测量从尽可能多的地方。开发电力系统必须只包含低成本零部件与无线模块将提供一种廉价和可靠的解决方案,包括效率高。第三个要求是独立于电源和能力有一个功能的电池充电电路在低照度的环境下,预计太阳能电池板的使用。

3所示。相关工作

智能传感器替代电源的情况下是众所周知的,这些自治单位中可以找到一些出版物。这篇文章(5)使用MPWiNodeZ单元与当前过时的ZigBee无线模块(JN5121)。描述解决方案使用电源管理单元包括一个电源转换器和一个直接的镍氢电池充电。无线模块JN5121为测量提供了选择和转换的输入替代来源。这个解决方案是有利的在其设计简单,使用无线模块的另一个输入源的切换和选择,激活的传感器,等等。然而,优化的解决方案对我们来说供电不足的恒定的电源输入直流-直流转换器。通过将无线模块进入睡眠模式,不可能确定电池电压的值输入电源或电池充电的效果。一个睡眠周期需要根据这些事实被选中。

另一个解决方案(8)使用,除了锂离子电池充电,也可能负责一个超大容量,这意味深长地扩展了生活工作的无线模块没有电源的输入。另一个优点是开关源的能力,也就是说,它可以打开超大容量的电池在能源枯竭。这个解决方案有较大尺寸,以及在本文的解决方案7),使用太阳能电池板输出电压较低,直流-直流转换器芯片作为MAX1795,电池充电电路输出电压的调节(MAX1811电路),切换电路,和其他控制部分。这些事实让我们创建自己的太阳能电池板的削减太阳能充电电路,能够工作在低输出电压的太阳能电池板,并提供可能收取任何类型的电池,包括直流-直流变换器的设计效率高。我们创建的解决方案,使用我们设计的充电电路组成的离散的组件,它的输出低RDSON MOSFET晶体管补充道。由于低损失与此相关的成员,我们可以选择太阳能电池输出电压较低,同样由于非常简单的电阻变化R6将交替输出电压的值,我们可以收取任何一种电池在此设置(图3)。充电电路设计工作作为其活动的监管机构和不需要其他电路无线模块控制充电。随后,最后成员(无线模块)可能投入和减少消费模式指定的时间没有过度充电电池。直流-直流变换器稳定电压的输入变量的范围从3.2 V至4.2 V值3 V设计功率无线模块JN5139从电池。电路NCP3063从半导体公司补充了MOSFET晶体管型P是转换器的基础。通过使用这个解决方案,我们取得了更高的效率比标准稳定剂和齐纳二极管一样,我们已经建立了,这效率补偿电路的线性LTC3531-3等技术。整个供电设备与无线模块显示了良好的稳定性和工作能力与降低光强度条件。

本文的其余部分处理一个复杂的电子装置的最优解,可以使用太阳能电池板为长期操作的智能无线传感器模块。第一部分(部分4)讨论了发展合适的太阳能电池板。下一个部分(部分6)提供充电电路的设计细节,包括模拟和实际测量相比,现有的解决方案。最后,发展合适的转换器(描述部分7)以及完整的最终解决方案的一部分力量。

4所示。太阳能板的开发

由于整个解决方案的发展推动无线传感器,我们需要开发自己的太阳能电池板将最终的整体解决方案的一部分。使用太阳能电池马克SC22-16A型的小尺寸(),一个太阳能电池的电压为0.57 V全细胞的照明。定义一个太阳能电池短路电流180毫安。这些值由SOLARTEC ltd .)制造商的标准测试条件1000 W / m²温度与地面光谱是1.5克c .整个太阳能板由10太阳能电池参数按系列总提到提供大约5.7 V的电压和最大电流180毫安照明(图9)。如果有必要,可以添加更多的太阳能电池,太阳能电池板输出电压的增加价值。

5。选择可充电电池

选择一个合适的类型的电池必须确定传感器的工作环境的基础上。能源需求的智能传感器相对较低(电源的电力网络),但也相对较高的长期在外部环境中操作。测试模块与内部IEEE 802.15.4通信接口提供服务类型马克M02(模块装有SMA天线连接器)需要最小电源电压为2.7 V。电力消耗多达120 mA在传输和50 mA在接收模式。传感器工作在外面条件需要设计温度范围−20°C ~ 40°C。由于参数,如尺寸、重量、或密度、最佳合适的类型是锂离子电池。锂离子电池的典型工作电压3.7 V,低重量,每公斤能量密度高,一个非常良好的工作温度范围。就我们的目的而言,锂离子TrustFire保护电池,14500型900 mAh的能力已经被使用。相关的特定优势对我们更高的工作电压所需的力量JN5139无线模块。

6。为锂离子电池充电电路

目前,可用电池充电提供解决方案的商业产品在某些情况下的多云的天气(阳光不足),非常有限。这个问题会导致失败在远程传感器测量的应用。这一事实导致开发新的更高效的解决方案。

为了使用可充电锂电池,有必要开发一个可靠的充电电路。一个可靠的电路NCP1800从半导体公司开始时被选中。在实验室条件下的一切工作顺利,但形势将太阳能电池板后改变了。问题是频繁波动的电源电压取决于阳光。这个问题还没有被任何制造商。因此,有必要开发我们自己的电路将抵抗这些波动。

6.1。电路的发展

最有效的太阳能处理从光伏面板使用直接连接到蓄电池组(图1)。然而,此选项不适合电池的寿命以及安全问题。频繁的收费过高极大地降低它的生命周期(电压为4.2 V)至关重要,它增加了爆炸危险。

根据提到的原因,有必要利用太阳能电池板输出电压的稳定。关于电路的谦逊,最适合使用线性稳定与双极型晶体管(图2)。这样的解决方案包含一个基本缺点是高电压的降低集电极和发射极Uce之间。

另一种选择是使用MOSFET晶体管。这个解决方案提供了某些问题由于需要较高的电压电极栅(应用程序。4 - 5 V)。由于不同工作原理的MOSFET晶体管,漏极之间的电压降是失踪和来源。这是非常有利的效率,当开关元件损失最小的能量。为了控制晶体管,有必要开发一个简单的倍压器。这个驱动器使用电荷泵的原则。首先,微分放大器作为正交振动源充电电容器的输出。当电容器充电时,积极向负电极电压。两个电压被添加,然后输出值几乎是两倍相比,输入电压(图3)。增加电压驱动第二个微分放大器作为电压跟随器和稳压器的输出电压。输出电压可以调节在一个广泛以及可以选择电池供电的时间和电池寿命。

电路可以分为两个功能单元。第一部分为代表R1,R2,R3,R4,C1,C2,D2,D3,U1的元素形式电荷泵电路,电路的输入电压增加到两倍原来的值。第二部分是一个控制器,调节电压可充电电池(C5代表了可充电电池)所以不超过定义的限制。这是重要的锂电池过度充电非常敏感。超过价值只有几十mV大大降低这个细胞的生命周期,可以导致破坏性的变化。

监管机构(限制了电池电压)使用开关MOSFET晶体管N,而不是一个执行机构。有可能使用正则PNP型双相情感类型,但它有一个很大的缺点。双相类型有一个压降特征约1.5 V。考虑到锂离子电池的最大充电电压为4.2 V,我们建立,必须至少5.7 V电源电压。另一个问题是太阳能电池板提供额定电源电压只有在一个定义的最低照度。所以,串行连接太阳能电池(削减)的数量将增加到至少13块。使用双极型晶体管电路的有效性也会降低。功率损耗等于。

通过使用一个单极typ,这些问题是消除。进行电压降的方向可以用公式计算: 在哪里在打开晶体管的电阻值是频道(mΩ的顺序)。,可以使用只有10连续连接太阳能电池。

充电电路是由电荷泵提供所需的电压MOSFET晶体管。泵是由电路和运算放大器组成一个矩形信号发生器。电压降在个体成员表达了如下:

每周期和能量转移表达如下:

第二个运算放大器电压供应明显U2。它直接控制开关MOSFET M1(图3)。

这样电子方案在一个特殊的软件建模环境LTSpice IV,衬技术公司的一个产品。创建模型模拟的行为,以避免任何问题在实现阶段。模拟是用在许多其他相关科学研究(9- - - - - -11),模型在Matlab仿真软件模拟软件。只因为我们的解决方案涵盖了电子部分,不需要创建一个模型在Matlab仿真软件环境更为复杂,但使用LTSpice更专业的预期目的。

提到文献【9在(图)包含2)一般经典的电源管理系统所使用的算法也是我们建议的解决方案(图3)以上。

模拟在(图4)显示了一个提高太阳能电池板电压从0到5 V。这极大值是常数为0.2 s,然后回落为0。这样的选择过程由于国家的最大输出功率以及国家能源缺口。控制电压权力第二运算放大器也增长高于电源价值(几乎两倍值)。电池电压和充电电流的时间越来越多。甚至整个系统趋于振荡(在时间从0.3到0.4秒);因此,重要的是,系统返回稳压器的正常功能,当电池电压增加。尽管整个充电电路的复杂性很高,提供良好的有效性和可靠性的解决方案与太阳能电池板和各种阳光。

6.2。解决不稳定的时期

建议的解决方案的稳定性可以得到改善通过添加一个阻止传感输入电压的太阳能电池板将生成逻辑信号“充电使信号。“太阳能电池板的电压以及参考电压作为输入。参考电压还指定了不稳定区域,需要避免(图5)。

这个不稳定区域需要实验确定。瞬态电压需要结果集作为参考。输出信号需要块或松弛的驱动功率MOSFET晶体管。

目标是预防在低投入的情况下充电电压和松弛改变足够的能量(阳光)。

6.3。测试

开发解决方案也被测试在一个真正的实验室环境中,它是可能的准备需要阳光的行为(变量太阳强度时间)。因为需要太阳能电池板电压最低的3.8 V,我们使用一个特殊的高功率发光二极管代替古典灯(max 15 W的力量,真正的13.5 W,光通量945 lm)被放置在距离20厘米的太阳能面板(图创建的6)。在这个最小电压、一个阈值临界功率超过(2.7 V)的锂电池。它也开始充电。这样的太阳通常是在一个真正的外部环境条件(12,13]。

在测试阶段,首先,没有连接电池输出电压稳定器的功能进行评估(图7)。一个光源的输出功率增加时(从4到22.3秒)。在太阳能电池板电压增加,直到达到最大的价值4.82 V(最大价值为我们的实验室环境中)。充电电压输出稳定在3.78 V等于锂离子电池的工作电压,所以创建电路满足请求的功能。商业收费来源(例如,LM3685)也满足充电的目的;然而,他们需要更高的输出电压(通常是4.5 V)(图正确运行7)。这个事实导致的要求更多的太阳能电池板细胞最终导致更高的价格和更大尺寸的整体解决方案。

进一步测试阶段,我们连接几个选定的各种能力(图的电池8)。电池收费2.65 h从起始值3 V最大3.32 V。充电电流的值为110毫安,减少时间(电压增加)。

7所示。完成了无线功能部件的替代电源模块

所有组件的另一个电源(图9)提供组装后(没有连接无线模块)必需的功能。降低(巴克)电压转换器安装在输入的开关,打开或关闭转换器包括无线模块连接。

使用这个,可以断开电源(转换器)的长期不活动的无线模块。拟合前的最后一部分(无线模块)整个装置的设计,它是需要做一些小调整模块。无线模块默认情况下焊接到印刷电路板与双面针(容易获得个人别针的模块和编程)的可能性。

巴克电压变换器的基础是一个集成电路NCP3063从半导体公司。这种电路由于其低成本的选择。这是一个单片电源转换器,无线模块3 V的输出电压。然而,我们没有使用建议(制造商)内部功率晶体管,但一个MOSFET P(图11)。这一修改导致更高的效率(70% - -92%),见(表1),而不是标准的稳定剂,使用一个齐纳二极管(25% - -75%)的效率。我们设计的电路可以进行比较的效率等商用直流-直流转换器电路LTC3531-3从线性技术;见(图10)。(图的测量值10 ())对应3 V的输出电压稳定在一个变量输出负载和一个输出电流从30 mA - 135 mA。与MOSFET晶体管设计变换器的效率可以从线性电路LTC3531-3相比锂离子技术工作电压3.7 V。效率在80%左右。

如此巨大的实际效率允许更长的电池无线传感器模块的操作。设计的优点是电源转换器提供商业电路LTC3531-3相比价格特别低。特定的比较电路的价格和效率;见(表1)。

从表(1),齐纳二极管的电路是非常符合成本效益的,但效率很低。损失的能量转化为热量的齐纳二极管串联电阻。电路LTC3531-3锂离子电池的工作电压3.7 V 100 mA输出电流效率约为82%。组装电路使用芯片NCP3063和MOSFET晶体管具有相同的输出电流效率约为80%。然而,这个电路5倍的价格便宜。

整个视图的组装备用电源和无线模块(图所示12)。

8。开发解决方案用例

提到的问题定义(部分2),复杂的单元充电系统是专为测量空气污染率和一般工业城市内环境质量(如在捷克共和国斯特拉瓦)。的假设是有几个无线电台内部IEEE 802.15.4标准放置在监控区域提供服务由于设计充电装置完全自主工作。数据发送端站通过网络结构类型三个(图13)中央单位称为网络协调器。最终站在函数减少功能设备(RFD)。他们独自有限函数关于路由器或协调员不过,他们最大的优势是在引入睡眠;模式与降低能耗(当前消费约为2.6μA)。温度、rel.湿度、照明、和大量的一氧化碳CO(传感器DragerSensor CO - 6809605)属于测量值。整个系统能够为公司带来相关的状态信息,污染率,以及生活条件的斯特拉瓦等工业城市的居民。

9。结论

介绍了发展段优化无线传感器供电。由于使用的低功耗传感器内部基于IEEE 802.15.4标准提供服务,不可能长时间运行完整的无线解决方案只靠电池驱动。当前可用的商业解决方案对充电电路,然而,不为多变的天气条件,当阳光不是在高强度。充电电路设计(电压调节器)的结果使用组件与太阳能电池板能够提供更低的输出电压。电源转换器供电无线模块的设计方案具有良好的效率比其他商业电路和也不太昂贵。太阳能电池板的解决方案涵盖了设计开发以及所有充电电路的电源。可以从低电压应用解决方案(低太阳强度)导致更好的操作的可靠性。一些特定的测试执行与Jennic JN5139模块创建的珍妮网络(15]。

电源的开发功能单元允许无线模块在户外工作的时间是有限的,只有一生的各个组件使用。这个事实是非常重要的,由于远程测量节点的高维修期为顺向维持低支出的资金。

确认

本文部分支持的项目“智能解决方案在无处不在的计算网络环境中,”格兰特卓越机构,大学Hradec Kralove,教员的信息和管理;“在工作场所SMEW-Smart环境”授予机构的捷克共和国,GACR P403/10/1310;框架项目机会的年轻研究人员,Registiration没有。CZ.1.07/2.3.00/30.0016支持的操作计划教育Competitivenessand共同投资的欧洲社会基金和捷克共和国的国家预算。作者也承认Cautum公司(http://cautum.cz/)的支持。最后但并非最不重要,作者承认提供的技术语言援助Stanislava Horakova(华威大学)。

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