摘要：ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在鋰電池中。通過鋰電池充電管理芯片CN3063組成充電控制電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測(cè)芯片CN301組成放電保護(hù)電路，最大限度地延長(zhǎng)鋰電池的壽命。由于電源能量來自太陽(yáng)能，因此非常適合野外布置的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；鋰電池；充電管理芯片

引言
電源是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，特別是對(duì)于野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說，供電線路的鋪設(shè)難度較大，采用電池供電時(shí)需要定期更換電池，在一定程度上增加了系統(tǒng)維護(hù)的成本。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長(zhǎng)時(shí)間無人監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問題，而且還具有供電持久、環(huán)保節(jié)能和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是通過太陽(yáng)能電池板對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，同時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電壓和充電電流，避免因過充而導(dǎo)致鋰電池永久性損壞；此外還需要設(shè)計(jì)鋰電池放電保護(hù)電路，對(duì)放電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止過放電導(dǎo)致鋰電池?fù)p壞。

1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護(hù)電路組成。由于太陽(yáng)能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)往往因?yàn)殇囯姵爻浞烹姽芾聿缓侠恚瑢?dǎo)致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽(yáng)能的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理鋰電池的充電過程并進(jìn)行有效的能量?jī)?chǔ)存，通過對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)避免鋰電池過度放電，以達(dá)到延長(zhǎng)鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需電壓為3．3 V，而鋰電池的工作電壓一般在3．6～4．2 V(正常放電電壓為3．7 V，充滿電時(shí)的電壓為4．2 V)，所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
對(duì)于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530，其工作電壓是3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)總體示意圖。

該系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過充電管理電路被存儲(chǔ)在鋰電池中，同時(shí)對(duì)鋰電池提供充電保護(hù)，防止過充；由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低，因此需要放電保護(hù)電路對(duì)放電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí)切斷放電電路，避免鋰電池過放電。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。

2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是：首先估算系統(tǒng)總功耗，然后選擇合適的鋰電池，進(jìn)而根據(jù)鋰電池的容量來選擇所需的太陽(yáng)能電池板；根據(jù)太陽(yáng)能電池板和鋰電池的充電電壓、充電電流等參數(shù)，可以選擇合適的充電管理IC來設(shè)計(jì)充電控制電路；最后根據(jù)鋰電池輸出電壓和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需的工作電壓來設(shè)計(jì)合適的DC-DC變換電路。
2．1 鋰電池的選取
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需的峰值電流為29 mA，在數(shù)據(jù)接收期間所需的峰值電流為24 mA。通常情況下，每個(gè)ZigB ee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器。假設(shè)各種傳感器所需的工作電流為30 mA，那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需要的總電流為59 mA，數(shù)據(jù)接收期間所需要的總電流為54 mA，為了討論問題方便，總電流取60 mA，那么鋰電池可以選取容量為900 mAh。表面上看，900 mAh的鋰電池可以供該節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)間為：900 mAh／60 mA=15小時(shí)。
但是實(shí)際系統(tǒng)中，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集一般是定時(shí)采集，例如采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化減慢，所以可以定時(shí)采集，在此節(jié)點(diǎn)每小時(shí)工作50 s，其他時(shí)間都在休眠(休眠時(shí)工作電流在μA級(jí)，所以可以忽略不計(jì))。
那么實(shí)際情況是：系統(tǒng)采用容量為900 mAh的鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)工作電流為60 mA，每小時(shí)工作50 s，可以計(jì)算出容量為900 mAh的鋰電池可供節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間為：1080小時(shí)=45天，即一個(gè)半月的時(shí)間。
當(dāng)然上述討論也是一種典型情況，如果系統(tǒng)需要每小時(shí)使節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間大于50 s，則每節(jié)鋰電池可以供節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間可能會(huì)縮短，這需要看具體的系統(tǒng)要求，但是一般情況下，選擇鋰電池時(shí)只需要能保證系統(tǒng)在充滿電后可以連續(xù)工作15～20天就可以滿足系統(tǒng)要求。這主要是考慮到我國(guó)部分南方地區(qū)在雨季可能連續(xù)半個(gè)月的時(shí)間不出太陽(yáng)，這時(shí)就需要考慮適當(dāng)選取容量大一點(diǎn)的鋰電池。
本設(shè)計(jì)所選用的是容量為900 mAh的鋰電池，市場(chǎng)價(jià)在15～30元左右，該電池正常放電電壓為3．7 V，充滿電后電壓為4．2 V，一般正常丁作電壓為3．6～4．2 V。