無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息(如光強(qiáng),、溫度,、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象),，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去,，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察,、環(huán)境監(jiān)測(cè),、醫(yī)療護(hù)理、智能家居,、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電,，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數(shù)量大,，更換電池非常困難,，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時(shí),，就可以將其供電電路斷開以節(jié)約用電,，當(dāng)有指令將其喚醒時(shí)，則接通其供電電路以保證系統(tǒng)的正常工作,。這樣便可有效節(jié)約電能,，延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間和使用壽命，同時(shí)也保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作質(zhì)量,，延長(zhǎng)了使用壽命,。

1 系統(tǒng)電源模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電源模塊主要對(duì)電源檢測(cè)、電源開關(guān)智能控制以及電源轉(zhuǎn)換進(jìn)行了設(shè)計(jì),。電路系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖1所示,。

本電源系統(tǒng)各部分主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：供電電源由2塊12V的鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，為系統(tǒng)提供24V的直流電壓,；電池檢測(cè)模塊主要是通過對(duì)供電電源的輸出電壓進(jìn)行取樣,，以獲取蓄電池的電量消耗信息，實(shí)時(shí)對(duì)電池充電以保證整個(gè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作,；電源各路開關(guān)控制模塊主要是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的工作狀態(tài),，通過開關(guān)控制決定是否為該負(fù)載供電，以此來降低待機(jī)功耗,，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間,；電源變換模塊主要用模塊DC-DC轉(zhuǎn)換器作為構(gòu)建單元實(shí)現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換為負(fù)載提供合適的電壓。

1.1 電池檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

電池檢測(cè)模塊通過對(duì)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：25V以上為電池電量滿狀態(tài),、24.2～25 V為電池電量充足狀態(tài)、23.5～24.2 V為電池正常工作狀態(tài),、22.8～23.5 V為電池電量不足但尚能工作狀態(tài),、22.8V以下為電池不能正常工作狀態(tài)5個(gè)狀態(tài)，通過狀態(tài)讀取來判斷電池能否正常為整個(gè)系統(tǒng)供電,，決定是否為電池充電,，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該模塊電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

該模塊電路主要由低壓差線性調(diào)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(gòu)成,。低壓差線性調(diào)壓器LMlll7提供3.3V的基準(zhǔn)電壓，與取樣電阻所獲得的取樣電壓輸入電壓比較器LMl39進(jìn)行比較,，再由電壓比較器輸出的高低電平，經(jīng)過反相器74HC04輸入到編碼器74HCl48中進(jìn)行編碼,，通過編碼器輸出的二進(jìn)制碼來反映電池電量信息,。

電池電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò)是通過取樣電阻的組合對(duì)電池的輸出電壓進(jìn)行分壓取樣，各電阻端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電池電壓狀態(tài)值分別為：R2對(duì)應(yīng)22.8V,，R3對(duì)應(yīng)23.5V,，R4對(duì)應(yīng)24.2V，R5對(duì)應(yīng)25V,。當(dāng)電池輸出的電壓值等于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí),，則該電阻端取樣電壓為3.3V；當(dāng)電池輸出的電壓值大于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí),，則該電阻端取樣電壓大于3.3V,；當(dāng)電池輸出的電壓值小于各個(gè)電阻設(shè)定的狀態(tài)值時(shí)，則該電阻端取樣電壓小于3.3V,。取樣電阻R1,，R2，R3,，R4,，R5的取值可由下面的方程組求得：

解得：

編碼器74HCl48低電平有效，所以在比較器LMl39的后面又接了反相器74HC04,，編碼器輸入/輸出的二進(jìn)制碼(真值表)與電池電壓的關(guān)系如表1所示,。

1.2 電源各路開關(guān)控制模塊電路設(shè)計(jì)

該電源系統(tǒng)各支路的開關(guān)控制主要由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)該功能的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

場(chǎng)效應(yīng)管選擇了增強(qiáng)型P溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640和增強(qiáng)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管VN2222L,。以場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640作為開關(guān)管來控制電路的通和斷，以場(chǎng)效應(yīng)管VN2222L作為開關(guān)控制管來控制場(chǎng)效應(yīng)管IRF9640的開和關(guān),。當(dāng)控制信號(hào)輸入端輸入高電平時(shí),，開關(guān)電路導(dǎo)通；當(dāng)控制信號(hào)輸入端輸入低電平時(shí),，開關(guān)電路斷開,。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)控制信號(hào)電壓從0V逐漸上升到1.8V時(shí)開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)電壓從高電平(如3.3V)逐漸下降到1.8V時(shí)開關(guān)斷開,。此開關(guān)電路的性能如圖4所示,。

1.3 電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換電路芯片主要選用的是金升陽公司的DC/DC模塊電源并配以78系列三端穩(wěn)壓電源,。

DC/DC模塊電源產(chǎn)品特點(diǎn)有：寬電壓輸入(2：1～4：1)，效率高達(dá)85%,，高低溫特性好,，能滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品技術(shù)要求，工作溫度：-40～+85℃,，隔離電壓1500V DC,，雙輸出，金屬屏蔽封裝,，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式,，MTBF>1000000h。

為了確保在滿負(fù)載條件仍能很好地保持在最佳的工作狀態(tài),，需要外加電容,，為了進(jìn)一步減少輸人/輸出紋波，可將輸出電容Cout電容值適當(dāng)加大或選用串聯(lián)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系列三端穩(wěn)壓電源據(jù)典型電路應(yīng)用輸入輸出外接電容分別選擇了0.33μF和0.1μF的電容,。

2 結(jié) 語

闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，分析了電源模塊對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個(gè)系統(tǒng)能否安全可靠工作的至關(guān)重要性,，詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源系統(tǒng)的構(gòu)成以及各模塊的電路結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)過程,，并通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試證明其性能達(dá)到了預(yù)定的性能要求。