谢少伟

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州310018)

可低占空比采集充放电数据的WSN节点光伏系统设计

谢少伟

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州310018)

设计并实现了一种WSN节点用低功耗光伏系统.该系统采用CN3063及CN302锂电池管理芯片进行充放电控制及保护；并设有充放电数据采集接口，可通过WSN节点采集充放电数据，从而实现光伏系统工作状态的远程监控.其充放电数据采集电路可工作在低占空比状态，降低了系统的功耗.

无线传感器网络；光伏系统；锂电池；数据采集

无线传感器网络(WSN)是由大量传感器节点组成的无线通信网络，当其分布在室外环境时，较难通过电力线路获取能量，因此，除电池供电外，光伏供电系统也成为其主要的供电方式.目前，无线传感器网络的光伏系统侧重于控制方式的研究，大部分不具备充放电数据采集功能[1-3]，无法对光伏系统的工作状态进行远程监控，不便于对故障进行及时维修.而一些具有充放电数据采集功能的光伏系统，由于采用了单片机进行实时控制[4-5]，增加了系统的功耗与成本.

针对上述问题，本文提出了一种具有充放电数据采集接口的光伏控制线路，其数据采集电路可工作在低占空比状态，并可利用WSN节点的MCU资源(WSN节点的传感功能较为单一，其MCU的口线等资源一般有较多的冗余)实现充放电数据的采集，降低了控制线路的功耗与成本.

1 系统方案设计

具有充放电数据采集接口的光伏控制线路主要由太阳能电池、充放电控制线路、可充电锂电池、电压与电流测量电路组成，系统的结构框图如图1所示. (1)锂电池及太阳能电池选择.选择常用单节可充电锂电池(Li-Lon)，其标准电压为3.7 V，充电限制电压为4.2 V，容量可根据负载进行选择.太阳能电池(Solar)工作电压选择5.0～5.5 V，开路电压高于充电控制芯片允许电压时可串接二极管降压.短路电流根据锂电池容量进行选择，如2 000 mA·h的电池容量，选择200 mA的短路电流，阳光充足的情况下，十几个小时可以充满.

图1 系统结构框图

(2)充电控制.采用CN3063低功耗单节锂电池充电管理芯片[6]，进行实时充电控制及过充保护.该芯片采用线性充电模式，纹波电流小，且具有涓流、恒流、恒压多阶段充电模式，能够根据太阳能电池电流输出能力自动调整充电电流；芯片充电时的典型工作电流为650 μA.当太阳能电池与锂电池的压差小于20 mV时，进入睡眠模式.电池的电流消耗小于3 μA，同时不需要另加阻流二极管.

(3)放电控制.采用CN302低功耗电池检测芯片[7]，对锂电池过度放电进行保护.芯片典型工作电流为9.5 μA，具有迟滞特性，与单一“过度放电阀值”芯片[2]相比，可解决电池电压接近“过度放电阀值”时，频繁开启、关闭放电回路的问题.

(4)充放电电流测量.充、放电电流的测量有高端与低端二种测量模式.高端模式的电流取样电阻接入控制线路的位置如图1所示(R1、R2)；而低端模式的电流取样电阻则需分别接入充、放电控制线路的地线回路，这时取样电阻上的压降会影响太阳能电池与锂电池的电压测量精度，同时会造成充电及放电控制线路、电压及电流测量线路的电平不等位.因此本文采用高端电流测量模式.这时，如R1两端的电压接近太阳能电池的电压，且R1两端的压降很小，用一般的运放电路较难进行测量，为此采用MAX4173高端电流测量芯片.该芯片典型工作电流为420 μA，具有±0.5%全量程精度，有20、50、100倍3种增益，与不同的取样电阻配合，适合不同量程的电流测量.

(5)电池电压测量.太阳能电池及锂电池的最高电压一般大于WSN节点MCU的ADC的测量范围，需要电平转换，常用的方式为电阻分压.为降低功耗，宜采用高阻值的分压电阻，如MΩ级的分压电阻.但受ADC输入阻抗的限制，分压电阻不宜过高，如Zigbee片上系统CC2530的IO口用作ADC输入时，其内阻在197 kΩ左右[8]，采用10 kΩ的分压电阻(与ADC并联的电阻)就能引起5%的测量误差.解决的方法是在分压电阻与ADC之间增加一级由HT9274微功耗运放构成的跟随器，HT9274运放工作电流为5 μA，偏置电流为1 pA.

(6)电压电流测量线路的工作模式.由于采用了专用芯片对充、放电进行实时控制及保护，因此电压、电流的测量可以在非实时的低占空比状态下进行，以降低系统的功耗.低占空比模式可以通过控制电压电流测量线路中工作电源的通与断实现.

2 控制线路设计

2.1 充电控制线路

充电控制线路如图2所示.CN3063的FB(8脚)与BAT(5脚)相连，其恒压充电电压值为4.2 V.TEMP(1脚)为温度保护输入端，太阳能电池短路电流较小时不用保护，可直接接地.R3为恒流充电电流值设定电阻，计算公式如下：

ICH=1800 V/R3.

(1)

图2中R3取10 kΩ，恒流值为180 mA.

图2 充电控制线路

表1 充电器指示状态

CHRGDONE状 态ONOFF正在充电OFFON充电结束脉冲脉冲锂电池未接OFFOFF异常

2.2放电控制线路

放电控制线路如图3所示.其上行阀值(放电开启)、下行阀值(放电截止)的计算公式如下：

VBAT(hi)=1.211(R4+R5+R6)/R6;

(2)

VBAT(lo)=1.211(R4+R5+R6)/(R5+R6).

(3)

式中1.211 V为CN302的内部基准电压.R4+R5+R6总值的选择原则是其流过的电流在5 μA～10 μA之间.上行阀值可设为锂电池的工作电压，如3.7 V，单节锂电池的下行阀值常设为2.8 V，也可设置为略高于WNS节点正常工作电压.按图3中的参数计算：VBAT(hi)=3.7 V，VBAT(lo)=3.1 V.

图3 放电控制线路

2.3 电压、电流测量线路

2.3.1 电压电流测量.图4为电压、电流测量线路，图4中的参数按照CC2530的1.15 V ADC内部基准电压设计.分压电阻根据ADC的测量范围选定，并尽力接近ADC测量上限，太阳能电池电压上限设为6 V，锂电池电压上限设为4.2 V.

U4选择100倍增益的MAX4173H，与0.05 Ω的R1配合，充电电流200 mA时，输出电压Vic=1 V.

图4 电压电流测量线路

U5选择20倍增益的MAX4173T (目的是对两种增益的芯片都进行测试，实际使用时建议采用100倍增益)，与0.5 Ω的R2配合，放电电流为100 mA时，输出电压Vid=1 V.

2.3.2 低占空比工作状态控制.HT9274及U4、U5两个MAX4173的总工作电流实测在1.2 mA之内，当WNS节点的MCU的IO口驱动足够时，可直接用其IO口提供工作电源(与图4中的各Vcc_IO端口直接相连)，如CC2530的IO口均可驱动(其中P1.0 和 P1.1具备 20 mA 的输出驱动能力，其它IO口输出均具备 4 mA 的驱动能力).如果IO口的驱动能力不够，可采用图3中Q1的方式进行控制，栅极G由IO口驱动，源极S接WNS节点的MCU的工作电源端，漏极D接各Vcc_IO端口.

3 CC2530充放电数据采集接口实验

采用图5所示的CC2530实验模块[9]进行充放电数据采集接口实验，接口原理如图6所示，包括2个充电状态数据接口(CHRG与DONE)、1个放电状态数据接口(LB)、4个充放电电压及电流数据接口(Vc、Vd、Vic、Vid).HT9274及MAX4173的工作电压由P1.2口线提供.D1、D2、D3用于CHRG、DONE、LB状态指示，并由按键S1控制其指示状态，按S1一次，D1、D2、D3指示状态开启10 s后自动关闭，以降低系统功耗.采集的数据通过CC2530的TXD、RXD串口发送到上位机.图7为串口助手接收到的充放电数据.表2列出了充放电电压及电流比对测量结果，在表2中，Vsc、Vbc、Icc、Idc为CC2530的测量显示值，Vsn、Vbn、Icn、Idn为VC980+四位半万用表测量值，以万用表测量值为标准，满度引用误差优于±0.5%.

图5 数据采集接口实验实物照片

图6 CC2530充放电数据采集接口原理图

图7 串口助手接收充放电数据

表2 充放电电压及电流比对测量结果

Vs/VVb/VIc/mAId/mAVscVsnVbcVbnIccIcnIdcIdn600599542042031800179981000100045004998400399815001499580080034004005300299310001002060059793003008200199050050074003981200201210009852502489200196210010140500482100978100960

4 结论

本文设计的低功耗WSN节点用光伏系统，其充电控制电路的工作电流低于1 mA，非充电状态时的线路损耗小于3 μA.放电控制线路的工作电流低于20 μA.电压、电流测量线路的工作电流小于1.2 mA，可以工作在低占空比状态，平均功耗可大大降低.充电放电数据可以根据WSN节点的MCU资源进行选择性采集；如只采集3个充放电状态数据，也可以对光伏系统工作状态是否正常做出基本判断.

[1]PARK C,CHOU P H.AmbiMax: Autonomous Energy Harvesting Platform for Multi-Supply Wireless Sensor Nodes[C]//Sensor & Ad Hoc Communications & Networks,Secon 06 IEEE Communications Society on.IEEE,2006:168-177.

[2]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[J]单片机与嵌入式系统应用,2012,12(3):56-58．

[3]王战备.具有供电源自动切换功能的WSN节点供电系统[J]科学技术与工程,2014,14(8):190-194.

[4]姜传星.锂电池在光伏系统中的应用[D]广州：华南理工大学,2012：21-28.

[5]张静静,赵泽,陈海明,等.EasiSolar:一种高效的太阳能传感器网络节点系统设计与实现[J]仪器仪表学报,2012,33(9):1952-1960.

[6]上海如韵电子有限公司.CN3063数据手册[EB/OL].[2016-08-05].http://www.consonance-elec.com/pdf/技术说明书/DSC-CN3063.pdf.

[7]上海如韵电子有限公司.CN302数据手册[EB/OL].[2016-08-05].http://www.consonance-elec.com/pdf/技术说明书/DSC-CN302.pdf.

[8]Texas Instruments.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4--GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications [EB/OL].[2016-08-05].http://www.ti.com/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[9]深圳市亿研电子有限公司.V4.1使用说明指南[EB/OL].[2016-08-05].www.sz-yy.taobao.com.

(责任编辑 邓 颖)

The Design of a Photovoltaic System for WSN Nodes with Low Duty Cycle Capable of Acquiring Charging and Discharging Data

Xie Shaowei

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou,Zhejiang 310018)

A photovoltaic system for WSN nodes with a low power consumption is designed and implemented.The system uses CN3063 and CN302 lithium battery management chips to control and protect the charging and discharging process.The system has an interface to acquire charging and discharging data,which is collected through the WSN code.In this way,it achieves the remote monitoring of photovoltaic system.The charging and discharging data acquisition circuit can work under the low duty cycle mode,which effectively reduces the system’s power consumption..

wireless sensor network;photovoltaic system;lithium battery;charging and discharging data acquisition

2016-09-09

2014浙江省科技计划公益技术研究项目(2014C33101)

谢少伟(1965- )，男，浙江绍兴人，副教授，研究方向：传感器及仪器仪表.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.09.09

TP274

A

1008-293X(2016)09-0043-04