摘要：电源在整个无线传感器网络体系中具有极其重要的含义，为了满意体系为微型传感器节点供电的需求，本文规划了选用充电泵完成超低压发动、双电容蓄能的弱小动力搜集电路。该电路可以在低温差条件下为蓄能电路堆集能量，完成低温差环境下的弱小能量搜集，并可以依据无线传感器网络节点间歇性作业的特色，快速做好供电预备。试验成果表明，体系具有能量搜集功率高、传输间隔较远等长处，有用地处理了无线传感网络节点动力供电的问题，具有较高的实用价值。
导言
无源无线传感器技能是现代传感器技能的重要研讨内容之一，涉及到对温度、光强、湿度等环境参数的监控等。其间，无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分，具有数量多、散布广、布置环境杂乱等特色，其体积小，且本身带着的电池能量有限。因为一般电池的寿数有限，需求定时替换电池。这样不只作业量大，本钱高，糟蹋也严峻，而且关于大面积的无线传感器网络来说，和环境监测，电池的替换比较困难。因而，搜集自然环境中的能量并转化为电能，完成传感器网络的自供电，成为现在研讨的热门之一。
无线传感器网络节点运用场合中有许多方法的热源，假如把这些热源运用起来，就可认为一些低压电产品供给动力。因为温差发电时，常常呈现转化的动力低于1 V，乃至低于0.5 V的状况，此刻就需选用充电泵或升压式DC/DC转化器。本文规划了依据温差发电技能的无线传感器网络电路，该电路选用充电泵S-882Z的弱小动力搜集电路，能在0.3～0.35 V输入电压下作业，处理了超低压发动问题;选用双电容蓄能与升压式DC/DC转化器合作等技能，为传感器网络供给牢靠能量来历。
1 体系构成
该设备首要由温差发电片、能量搜集存储模块、电源转化电路、无线节点模块组成，如图1所示。
其间，温差片发电的功率首要取决于热端和冷端的温度和温差发电资料的品质因数Z，而Z激烈地依赖于温度，因而关于不同的作业温度需求选取不同的资料。充电泵模块将温差发电片发生的电压进步并稳定在5 V，给超级电容蓄能模块充电。蓄能模块由两个容值不同的超级电容构成，按先充小电容、再充大电容的方法进行蓄能，小电容向传感器体系供给低功耗状况和正常作业时所需电量，大电容充则用于支撑传感器体系进行无线数据收发等功耗较大状况所需电量。
升降压模块依据负载的需求，将电压稳定在3.3 V输出。电路选用两级变压和双电容蓄能方法，在必定程度上降低了电能转化功率，但大大进步了体系蓄能，并缩短了电路发动时刻和充电间隔，为无线节点模块供给了牢靠动力。
2 能量搜集存储电路规划
2.1 超低作业电压发动电路
温差发电是将余热、废热等低档次动力转化为电能的一种有用方法，但温差发电功率远低于火力发电、水力发电、光伏发电等常见的发电方法。电路选用的TEG1—241系列温差发电片，发电功率约为3%，当温差为40℃，发电功率为800 mW。但在实践运用中，因为散热资料和尺度的约束，温差常小于10℃，电压低于1V，乃至低于0.5 V。
关于传统的充电泵，假如输入电压降到0.6 V以下，则传统的DC/DC转化器内部的电路不能正常作业。为了战胜这一难点，体系选用精工电子有限公司推出的S-882Z超低电压升压的计划，该芯片选用了彻底耗尽型SOI技能，能在0.3～0.35 V输入超低电压下作业，给弱小电压电源的运用创始了杰出的条件。
运用该芯片可以将输入作业电压Vin的规模扩展到0.3 V，而且关于输入电压在0.9 V以上(包含0.9 V)，但需较大输出电流状况下激活的升压式DC/DC转化器来升压，均可用S-882Z来发动升压式DC/DC转化器。所以，关于温差片发电等超低电压的运用而言，明显具有实践含义。本体系选用S-882Z芯片的升压稳压电路如图2所示。
其间，升压电力存储在外接的发动用电容器C4中，C4电压大于0.3 V时S-882Z中振荡电路开端作业，并将转化后的升压电力缓慢充至C3，用于发动升压DC/DC，合理选用C3、C4的容量可以完成升压DC/DC的超低压快速发动。D3是一个5 V稳压二极管，当Vin大于5V时导通，用于维护升压芯片U1输入电压不超越5 V。这种结构保证了温差发电片在低温差状况下能量的高效运用。
2.2 超级电容蓄能电路
体系选用超级电容作为体系的蓄能原件，将升压后的电能储存在超级电容内，并在需求时将能量送入体系。超级电容是一种介于静电电容器与电池之间的新式储能元件，存储能量可到达静电电容器的100倍以上，一起又具有比电池高出10～100倍的功率密度，具有充电速度快运用寿数长、低温性能优越等特色。
电容在放电过程中可认为体系供给的能量，即有用蓄能可表示为：
其间，U1是电容的放电阈值电压，U2是电容的充电阈值电压。放电时C越大，电容可以供给的能量E也越大;充电时C越大，依据核算电容到达放电阈值电压U1的时刻也越长。当电容C不变时，蓄能体系是无法一起完成缩短充电时刻和供给更大能量两个方针的。依据传感器体系大部分时刻作业在低功耗状况的特色，本文规划了双电容蓄能形式，蓄能电路如图3所示。
其间C22为小电容，C21为大电容.充电时，5 V输入电压经防反充肖特基二极管D21和D22后首先为C22充电，当C22电压大于放电阈值电压U1后，C21才开端充电。当C21未到达充电阈值电压U2前，蓄能体系经过C22向外供给能量，当C21电压超越U2后，蓄能体系向外供给的能量相当于6倍的C22。这种方法既能满意传感器体系在低功耗状况下快速发动的需求，又为高功耗状况供给了强壮的能量后备。
3 无线节点模块规划
无线节点模块包含微处理器模块、无线传输模块及传感器模块。因为温差发电发生的能量较弱，因而体系无线传感器网络节点依照低功耗准则规划，无线处感器节点为间歇作业形式。无线节点硬件电路如图4所示。
微处理器模块选用MSP430F149，该单片机是一种16位的混合信号处理器，具有一个12位8通道自带采样坚持的模数转化器(ADC)和6个通用8位I/O口，外部作业电压典型参数为3.3 V。无线模块选用CMT-20LP无线收发模块，其作业频率为2.4 GHz，具有高牢靠的数据传输速率，最高可达2 Mbps;其功耗低，发射形式下作业电流为30 mA，接纳形式下作业电流为25 mA，休眠电流为2.2μA。CMT-20LP模块选用线性调频(CSS)调制方法，信号带宽为22 MHz和80 MHz，内嵌无线收发器芯片NA5TR1，增加了输出PA(功率放大器)、输入LNA(低噪声放大器)、收发转化控制电路，输出已匹配到50 Ω，运用十分便利。
关于传感器模块选型，以环境温度为例，传感器模块选用DS18B20温度传感器。共同的单线接口方法使其在与微处理器衔接时仅需一条接口线，即可完成微处理器与传感器的双向传输，节省了I/O口，测温规模为-55～125℃，固有测温分辨率为0.062 5℃，作业电压为3～5 V，丈量成果以9～12位数字量方法串行传送。在运用中无需任何外围器材，因而可简化节点硬件规划，减小节点体积，进步牢靠性。
因为无线传感网络节点中选用的微处理器模块和传感器模块作业电压均为3.3 V。该体系作业过程中电源供给来历于温差发电片。充电泵模块将温差发电片发生的电压进步并稳定在5 V，给超级电容蓄能充电。电容存储的能量用于支撑宽规模升降压芯片TPS63030(其输入电压为1.8～5.5 V)转化为3.3 V电压，为无线传感网络节点供给电源。
该设备发动后作业电流为100 mA左右。传感器节点一旦发动，长时刻作业在低功耗状况;每次进入典型作业状况接连作业时刻在10 s左右;每间隔10 min则进入大功耗状况一次，接连作业不少于20 s。能量供给模块规划运用了一片TEG1-241发电片，温差为10℃以上即可发电，均匀输出电压0.6 V，输出电流50 mA，选用0.02 F和1 F两个超级电容蓄能，放电域值电压为3 V，可充至以上。
电路因为各种原件损耗，体系全体转化效能在80%左右。由电容能量转化可得，小电容蓄能到3 V时需求3 s，此刻，电路发动。假如电路作业在典型作业状况，可知电容电压至4.7 V时，体系作业时刻理论值为25.8 s。考虑到体系效能的要素，实践可作业时刻在20 s左右。若体系一向处于低功耗状况，双电容充电至4.7 V的时刻依据换算为375 s;当体系处于大功耗状况时，作业时刻理论值为32 s。考虑到体系效能的要素，实践可作业时刻在24 s左右。选用温差片发电和超级%&&&&&%蓄能的方法发生的功率大于无线传感网络节点中温度传感器、单片机和无线收发模块的功率，此刻能满意无线节点作业需求。
结语
本文供给了一种依据温差发电的无线传感网络节点规划计划，经过挑选低功耗单元芯片，规划硬件接口，构建了一个完好的无线传感网络节点。试验成果表明，该设备具有发动时刻短，对散热要求不高，支撑间歇大功率输出的长处。发射模块传送的间隔可达100 m，可直接放置于发动机排气管、空调出风口、冷热水管等物体外表，完成弱小动力的搜集和运用，能有用处理无线传感网络节点动力供电问题，具有较高的实用价值。
