從現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡的概念提出至今，能量問題始終是阻止其進入實用的一大挑戰(zhàn),，尚未得到根本性解決,。這是因為相對于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],。而無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的微小尺寸進一步限制了電池的電量，且傳感網(wǎng)絡節(jié)點在進行射頻通信和運算時功耗較大,。實際應用中,，由于電池受到自身“額定容量效應”和“恢復效應”特性的限制,，電池的名義容量不能完全釋放[2-3]。其中額定容量效應限制了電池的放電電流,，而恢復效應有利于電池充分放電,。設計節(jié)點的供電單元時考慮電池的恢復效應與額定容量效應，使其具有電池監(jiān)視的功能,，這對于無線傳感器網(wǎng)絡這種能量極其受限的系統(tǒng)而言至關重要,。

    目前小型化的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點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)點供電，如克爾斯博（Crossbow）公司推出的Mica系列節(jié)點[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)點使用一段時間,，這樣可使得電池電量得到更為充分的利用。本文基于ZigBee技術研制了一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,，節(jié)點采用堆棧結(jié)構,，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)點的處理單元采用32位微控制器，使節(jié)點可以輕松運行通信協(xié)議,；通信單元采用符合IEEE802.15.4標準的射頻芯片CC2420,。
1 供電單元設計
1.1 原理圖設計
    MAX756提供電池監(jiān)視功能，這有利于發(fā)揮電池的恢復效應,，使得其容量被充分利用,。圖1是本文設計的MAX756的應用電路，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，通過跳線P3實現(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)視閾值通過電阻R1和R3進行設置(如式1),，LBO引腳接10 k?贅上拉電阻R2。當電池的輸出電壓低于閾值時,，LBO引腳的輸出狀態(tài)會由高電平變?yōu)榈碗娖?，這樣通過監(jiān)視微控制器輸入引腳電平由高至低的變化即可實現(xiàn)對電池的監(jiān)視，從而及時降低電池的負載,，發(fā)揮電池的恢復效應,。

 
    由于MAX756具有大峰值流與高工作頻率的特性，因此良好的PCB布局設計對于保證電源輸出質(zhì)量很重要，否則在大壓差輸入和大電流輸出的情況下會導致MAX756失去電壓調(diào)節(jié)能力,，無法輸出穩(wěn)定電壓,。在進行MAX756的PCB設計時需要注意：(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5 mm,，可參考美信公司提供的MAX756評估板的布局[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 供電單元測試
2.1 效率測試
    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,。實驗裝置及連接方法如圖2所示，由一臺Agilent 34401A型萬用表,、一臺可調(diào)直流穩(wěn)壓電源和2個作為檢流電阻使用的1 Ω精密電阻構成,。2個精密電阻分別與供電單元的輸入端與輸出端串連，這樣通過萬用表分別測量這2個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)點的射頻單元和處理/傳感單元作為供電單元的負載，得到傳感節(jié)點在不同工況下的轉(zhuǎn)換效率,。為了節(jié)省電量,，傳感網(wǎng)絡節(jié)點之間應該避免頻繁通信，節(jié)點在大部分時間內(nèi)處于偵聽或休眠狀態(tài),。因此,，本文僅對節(jié)點在偵聽與休眠狀態(tài)下的供電單元轉(zhuǎn)換效率進行了測量。由于傳感節(jié)點在工作過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)換效率的計算過程如下：
     
      經(jīng)測量,，Uout在節(jié)點休眠與工作時分別為3.31 V和3.22 V，將它們分別代入上式,，結(jié)合測量結(jié)果得到節(jié)點在休眠與工作狀態(tài)時供電單元的工作效率曲線如圖3所示,。

    由圖3可知,，當輸入電壓在1.8 V~3 V的范圍內(nèi)，輸出電壓為3.3 V時,，供電單元的轉(zhuǎn)換效率在節(jié)點處于偵聽狀態(tài)時比節(jié)點處于休眠狀態(tài)時要高,，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,，這會加重電池負擔。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,。而受額定容量效應的影響，電池會有更多的電量無法利用,。
2.2 負載瞬態(tài)響應測試
    DC/DC是一個閉環(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器件工作電壓范圍,，則可能會導致系統(tǒng)重啟，甚至損壞,。因此,，供電單元的瞬態(tài)響應性能對于保證系統(tǒng)的安全性與可靠性十分重要，反映了供電單元對于負載階躍輸入中不同頻率分量擾動的抑制能力,。為了節(jié)能,，無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常使節(jié)點在休眠耗狀態(tài)與工作狀態(tài)之間切換，這種狀態(tài)切換必然引起負載電流的變化,，并且時間很短,。因此，供電單元經(jīng)常受到突變負載電流的擾動,，其瞬態(tài)響應能力對于傳感節(jié)點可靠性非常重要,。
    負載瞬態(tài)響應的測試中，突變負載通過突然改變負載電阻實現(xiàn),，如圖4所示,。該電路通過MOSFET的開/關使負載電阻發(fā)生突變[8]。在理想的情況下,，MOSFET截止時對應的負載電阻為R1+R2,，MOSFET導通時對應的負載電阻為R2。而MOSFET的開關速度很快,，滿足了瞬態(tài)的要求?；谏鲜鲈?，本文制作了產(chǎn)生突變負載的實驗裝置,，該裝置的R2可通過跳線分別被設置為25 Ω或50 Ω，當供電單元輸出電壓為3.3 V時可產(chǎn)生近似0到90 mA或0到50 mA的突變負載電流,。

    為了如實地反映電源對于負載瞬變的響應過程,，要盡量減小測試裝置引入的電感、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,；甚至可通過并聯(lián)低值陶瓷電容來降低分布電阻和電感,，通過多個電容的等效串聯(lián)電阻RESR和等效串聯(lián)電感LSEL相并聯(lián)來降低總的等效阻抗。電路分布參數(shù)對于測試結(jié)果的影響可通過仿真說明[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載電流在0到50 mA和0到90 mA突變時的響應測試結(jié)果,。從中可以得到，在負載電流發(fā)生突變的時刻,，供電單元的輸出電壓產(chǎn)生了較大的過沖與下沖,，并且其振蕩幅度隨負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載電流突變程度的增加而增加,。以上測試結(jié)果說明，盡管該供電單元可使無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點正常工作,，但在濾波設計上還需要進行改進,。

    電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的能量極其受限，決定了它的一切活動應以節(jié)能為前提,，甚至通過犧牲網(wǎng)絡的其他性能來達到節(jié)能的目的,。為充分利用電池電量，優(yōu)化網(wǎng)絡能量分布,，需要電池發(fā)揮恢復效應與額定容量效應,，這要求供電單元具有電池監(jiān)視的功能。
    本文應用升壓型DC/DC MAX756設計了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的供電單元,，具有輸出電壓選擇與電池監(jiān)控功能,。當電池的輸出電壓低于閾值后，將給微控制器一個低電平信號,，這樣應用層協(xié)議可以利用網(wǎng)絡的冗余性在不影響網(wǎng)絡通信的情況下發(fā)揮電池的恢復效應,。同時，搭建了效率測試裝置對供電單元的效率進行了測試,。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。供電單元的負載瞬態(tài)響應測試顯示出供電單元在負載瞬變處產(chǎn)生較大的過沖與下沖且輸出電壓噪聲較大,。
參考文獻
[1] LAHIRI K,，RAGHUNATHAN A，DEY S,，et al.Batterydriven system design：a new frontier in low power design[C]. Proceedings of 7th Asia and South Pacific and the 15th International Conference on VLSI Design,，Bangalore，India,，2002：261-267.
[2] DOYLE M,，NEWMAN J.Analysis of capacity-rate data for lithium batteries using simplified models of the discharge process[J].Journal of Applied Electrochemistry，1997,，27(7)：846-856.
[3] PANIGRAHI D,，CHIASSERINI C，DEY S,，et al.Battery life estimation for mobile embedded systems[C].Fourth International Conference on VLSI Design,，Bangalore，India,，2001：55-63.
[4] ROUNDY S,，STEINGART D，F(xiàn)RECHETTE L,，et al.Power sources for wireless sensor networks[M].Berlin：Springer Berlin/Heidelberg,，2004.
[5] HILL J L，CULLER D E.Mica：a wireless platform for deeply embedded networks[J].IEEE MICRO,，2002,，22(6)：12-24.
[6] Maxim Integrated.MAX756/MAX7573.3 V/5 V/adjustableoutput，step-up DC-DC converters[EB/OL].(2007-xx-xx)[2012-11-09].http：//www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/MAX756-MAX757.pdf.
[7] Maxim Integrated.MAX756/MAX757 evaluation kit[EB/OL]. (1995-xx-xx)[2012-11-09].http：//www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/MAX756EVKIT.pdf.
[8] 電源的輸入和負載瞬態(tài)響應測試[EB/OL].(2008-xx-xx)  [2012-11-09].http：//www.Powersystems.eetchina.com/.
[9] 高英明.無線傳感器網(wǎng)絡能量管理技術與理論研究[D].大連：大連理工大學,，2009.