從現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念提出至今，能量問(wèn)題始終是阻止其進(jìn)入實(shí)用的一大挑戰(zhàn)，尚未得到根本性解決。這是因?yàn)橄鄬?duì)于CPU處理能力提高的速度而言，電池能量密度的提升速度則慢得多，這就是所謂的"電池鴻溝"[1]。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微小尺寸進(jìn)一步限制了電池的電量，且傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行射頻通信和運(yùn)算時(shí)功耗較大。實(shí)際應(yīng)用中，由于電池受到自身“額定容量效應(yīng)”和“恢復(fù)效應(yīng)”特性的限制，電池的名義容量不能完全釋放[2-3]。其中額定容量效應(yīng)限制了電池的放電電流，而恢復(fù)效應(yīng)有利于電池充分放電。設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的供電單元時(shí)考慮電池的恢復(fù)效應(yīng)與額定容量效應(yīng)，使其具有電池監(jiān)視的功能，這對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種能量極其受限的系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

    目前小型化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電單元普遍采用AA電池與升壓型DC/DC組成的供電系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)供電，如克爾斯博（Crossbow）公司推出的Mica系列節(jié)點(diǎn)[4-5]。由于升壓型DC/DC能在電池的輸出電壓低于系統(tǒng)工作電壓后還能將電壓提升供節(jié)點(diǎn)使用一段時(shí)間，這樣可使得電池電量得到更為充分的利用。本文基于ZigBee技術(shù)研制了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用堆棧結(jié)構(gòu)，分為供電單元、處理與傳感器單元和通信單元。供電單元采用了升壓型DC/DC MAX756[6]；傳感器節(jié)點(diǎn)的處理單元采用32位微控制器，使節(jié)點(diǎn)可以輕松運(yùn)行通信協(xié)議；通信單元采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2420。
1 供電單元設(shè)計(jì)
1.1 原理圖設(shè)計(jì)
    MAX756提供電池監(jiān)視功能，這有利于發(fā)揮電池的恢復(fù)效應(yīng)，使得其容量被充分利用。圖1是本文設(shè)計(jì)的MAX756的應(yīng)用電路，除具有電池監(jiān)視功能外，該電路還有輸出電壓選擇功能。若需要輸出5 V電壓，則引腳2接地；若要輸出3.3 V電壓，則引腳2接Vout，通過(guò)跳線P3實(shí)現(xiàn)。電池監(jiān)控電路包括電阻R1、R3和R2，電池輸出電壓的監(jiān)視閾值通過(guò)電阻R1和R3進(jìn)行設(shè)置(如式1)，LBO引腳接10 k?贅上拉電阻R2。當(dāng)電池的輸出電壓低于閾值時(shí)，LBO引腳的輸出狀態(tài)會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，這樣通過(guò)監(jiān)視微控制器輸入引腳電平由高至低的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的監(jiān)視，從而及時(shí)降低電池的負(fù)載，發(fā)揮電池的恢復(fù)效應(yīng)。

 
    由于MAX756具有大峰值流與高工作頻率的特性，因此良好的PCB布局設(shè)計(jì)對(duì)于保證電源輸出質(zhì)量很重要，否則在大壓差輸入和大電流輸出的情況下會(huì)導(dǎo)致MAX756失去電壓調(diào)節(jié)能力，無(wú)法輸出穩(wěn)定電壓。在進(jìn)行MAX756的PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：(1)為了減小地反彈與噪聲，電容C1與C2接地的引腳距離要盡可能短，不宜超過(guò)5 mm，可參考美信公司提供的MAX756評(píng)估板的布局[7]。(2)與LX引腳相連的所有線要盡可能地短。(3)為了獲得最佳的輸出效果，PCB應(yīng)該采用完整的地層，并且MAX756的接地引腳直接與地層相連，這樣可以得到最大的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率，并有利于減小輸出波紋。
2 供電單元測(cè)試
2.1 效率測(cè)試
    根據(jù)定義，供電單元的效率η是輸出功率Pout與輸入功率Pin之比，即η=Pout/Pin。本文的方法可得到輸出功率與輸入功率，從而得到轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)裝置及連接方法如圖2所示，由一臺(tái)Agilent 34401A型萬(wàn)用表、一臺(tái)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源和2個(gè)作為檢流電阻使用的1 Ω精密電阻構(gòu)成。2個(gè)精密電阻分別與供電單元的輸入端與輸出端串連，這樣通過(guò)萬(wàn)用表分別測(cè)量這2個(gè)精密電阻兩端的電壓，再根據(jù)I=U/R得到輸入與輸出電流。傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻單元和處理/傳感單元作為供電單元的負(fù)載，得到傳感節(jié)點(diǎn)在不同工況下的轉(zhuǎn)換效率。為了節(jié)省電量，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該避免頻繁通信，節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于偵聽(tīng)或休眠狀態(tài)。因此，本文僅對(duì)節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)與休眠狀態(tài)下的供電單元轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測(cè)量。由于傳感節(jié)點(diǎn)在工作過(guò)程中電池電壓不斷下降，而采用可調(diào)直流電源很容易模擬這一情況，另外根據(jù)P=U·I也容易求得輸入功率，I由檢流電阻得到。

      供電單元轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算過(guò)程如下：
     
      經(jīng)測(cè)量，Uout在節(jié)點(diǎn)休眠與工作時(shí)分別為3.31 V和3.22 V，將它們分別代入上式，結(jié)合測(cè)量結(jié)果得到節(jié)點(diǎn)在休眠與工作狀態(tài)時(shí)供電單元的工作效率曲線如圖3所示。

    由圖3可知，當(dāng)輸入電壓在1.8 V~3 V的范圍內(nèi)，輸出電壓為3.3 V時(shí)，供電單元的轉(zhuǎn)換效率在節(jié)點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)時(shí)比節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)要高，即隨輸出電流的增大而增大；隨著輸入電壓的下降，供電單元的轉(zhuǎn)換效率也隨之下降，這會(huì)加重電池負(fù)擔(dān)。為了保持供電單元的輸出功率，電池不得不輸出更大的電流。而受額定容量效應(yīng)的影響，電池會(huì)有更多的電量無(wú)法利用。
2.2 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試
    DC/DC是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，有反饋環(huán)節(jié)，使得輸出電流的突然變化會(huì)引起輸出電壓在穩(wěn)定值附近產(chǎn)生振蕩，如果電壓振蕩的幅度超過(guò)器件工作電壓范圍，則可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，甚至損壞。因此，供電單元的瞬態(tài)響應(yīng)性能對(duì)于保證系統(tǒng)的安全性與可靠性十分重要，反映了供電單元對(duì)于負(fù)載階躍輸入中不同頻率分量擾動(dòng)的抑制能力。為了節(jié)能，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使節(jié)點(diǎn)在休眠耗狀態(tài)與工作狀態(tài)之間切換，這種狀態(tài)切換必然引起負(fù)載電流的變化，并且時(shí)間很短。因此，供電單元經(jīng)常受到突變負(fù)載電流的擾動(dòng)，其瞬態(tài)響應(yīng)能力對(duì)于傳感節(jié)點(diǎn)可靠性非常重要。
    負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的測(cè)試中，突變負(fù)載通過(guò)突然改變負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。該電路通過(guò)MOSFET的開(kāi)/關(guān)使負(fù)載電阻發(fā)生突變[8]。在理想的情況下，MOSFET截止時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為R1+R2，MOSFET導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為R2。而MOSFET的開(kāi)關(guān)速度很快，滿足了瞬態(tài)的要求?；谏鲜鲈恚疚闹谱髁水a(chǎn)生突變負(fù)載的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置的R2可通過(guò)跳線分別被設(shè)置為25 Ω或50 Ω，當(dāng)供電單元輸出電壓為3.3 V時(shí)可產(chǎn)生近似0到90 mA或0到50 mA的突變負(fù)載電流。

    為了如實(shí)地反映電源對(duì)于負(fù)載瞬變的響應(yīng)過(guò)程，要盡量減小測(cè)試裝置引入的電感、電容分布參數(shù)。采用的具體作法是：縮短器件間的連線，以減小分布電阻和電感；采用小封裝的MOSFET和低電感量的電阻；甚至可通過(guò)并聯(lián)低值陶瓷電容來(lái)降低分布電阻和電感，通過(guò)多個(gè)電容的等效串聯(lián)電阻RESR和等效串聯(lián)電感LSEL相并聯(lián)來(lái)降低總的等效阻抗。電路分布參數(shù)對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響可通過(guò)仿真說(shuō)明[9]，結(jié)果如圖5所示。其中R1和R2的電阻值均為100 Ω，分布電感均為1 μH。

    圖6是供電單元的突變負(fù)載電流在0到50 mA和0到90 mA突變時(shí)的響應(yīng)測(cè)試結(jié)果。從中可以得到，在負(fù)載電流發(fā)生突變的時(shí)刻，供電單元的輸出電壓產(chǎn)生了較大的過(guò)沖與下沖，并且其振蕩幅度隨負(fù)載電流突變幅度的增加而增加；輸出電壓有較大的高頻噪聲，并且噪聲的程度隨負(fù)載電流突變程度的增加而增加。以上測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，盡管該供電單元可使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作，但在濾波設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)行改進(jìn)。

    電池供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量極其受限，決定了它的一切活動(dòng)應(yīng)以節(jié)能為前提，甚至通過(guò)犧牲網(wǎng)絡(luò)的其他性能來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。為充分利用電池電量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量分布，需要電池發(fā)揮恢復(fù)效應(yīng)與額定容量效應(yīng)，這要求供電單元具有電池監(jiān)視的功能。
    本文應(yīng)用升壓型DC/DC MAX756設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電單元，具有輸出電壓選擇與電池監(jiān)控功能。當(dāng)電池的輸出電壓低于閾值后，將給微控制器一個(gè)低電平信號(hào)，這樣應(yīng)用層協(xié)議可以利用網(wǎng)絡(luò)的冗余性在不影響網(wǎng)絡(luò)通信的情況下發(fā)揮電池的恢復(fù)效應(yīng)。同時(shí)，搭建了效率測(cè)試裝置對(duì)供電單元的效率進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，供電單元的效率隨輸入電壓的升高而升高，隨輸出電流的增加而增加。供電單元的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試顯示出供電單元在負(fù)載瞬變處產(chǎn)生較大的過(guò)沖與下沖且輸出電壓噪聲較大。
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