一种基于无线传感器网络的生物信息检测系统节点电源设计

摘要：针对电源系统需要为系统中微处理器、传感器、信号调理电路、无线通讯模块等提供工作电源的目的，提出一种生物信息检测系统中无线传感器网络(WSN)节点的电源设计方案。除了通过内部3．7 V锂电池，振动产生的机械能也可以用来提供能量。系统工作过程中能自动时供电方式进行选择，并完成对锂电池的充电任务。节点采用带有8051内校的CC2430无线射频芯片，通过有效的动态电源管理和唤醒休眠机制的软件设计，针对生物信息检测系统实现了一种低功耗的能量自供给的无线传感器节点电源设计。
关键词：无线传感器节点；电源系统；动态电源管理；能量自供给

微电子技术、计算机技术和通信技术等技术的发展和进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内部集成数据采集、数据处理和无线通信等多种功能，无线传感器网络应运而生。传感器节点通常是微型的嵌入式系统，一般是通过携带有限的电池供电，因此处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。大多数工作在野外或者人员不宜到达的地方，无线节点的电池不能够被随时更换，这就要求节点能够在有限的电源供电的条件下工作时间尽可能延长以延长网络寿命，除采用大容量电池以及像太阳能这样自己供电的方案之外，节点本身就要具有低功耗设计技术，从而达到延长节点寿命的目的。

1 系统结构设计
无线传感器网络节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据无线通信模块以及电源模块组成。按照一定的通信协议，构成了无线传感器网络。文中设计的无线传感器网络节点采用图1所示的系统结构。

节点的数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。数据采集部分可根据实际需要选定合适的传感器。本设计是针对生物信息检测系统，需要测定温度、湿度、振动、pH值等。作为传感器网络节点系统的重要组成部分之一，传感器的功耗对系统的功耗也是有重要影响的。在选择传感器时，要优先选择有源式传感器，如压电式传感器，或者选择耗电量小的传感器，尽量避免选用功耗大的如磁电式、电容式等传感器。例如，设计采用的温度传感器是DS18B20，用于测量物体表面温度或空气温度，它体功耗低，体积小，外围电路简单，可以在保证系统可靠的情况下降低了系统功耗。
数据处理模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等。处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议和数据整合程序都将在这个模块的支持下完成，处理器的选择在节点设计中至关重要。本设计采用CC2430自带的8051微处理器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，速度快，功耗低，性价比高。
数据传输模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据，其中无线通信损耗的能量占了整个无线传感器网络能耗的主要部分，因此对这一模块的选择事关低功耗设计的全局。选择无线收发芯片时应考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。本设计采用Chipcon公司一款兼容2．4 GHz IEEE802．15．4标准的无线收发模块CC2430，它具有工作电压低、能耗低、体积小、输出强度和收发频率可编程等特点。而且外接天线，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。本设计中单芯片CC2430集成了MCU和RF模块，比单独MCU+RF芯片的设计，不仅在价格方面比较低，而且在功耗和节能上都降低很多优势十分明显。
节点的电源管理非常重要。由图1可以看出，数据采集模块、数据处理模块和数据无线通信模块等系统能量来源都是由电源模块提供。本设计采用3．7 V可充电锂电池ICR18650，该电池能量密度高，体积小，适合传感器节点小的特点。另外，结合生物信息检测系统中如搅拌机的振动等产生的机械能，通过能量转换装置将其转换成电能存贮起来。然后通过动态电源管理，一方面给系统供电，另一方面可以给锂电池充电。当振动产生的能量不足，自动实时切换到电池供电。另外，为方便上位机调试和检修，还配备了USB供电接口。

2 电源模块设计
2．1 电源模块设计
电源模块设计系统框图如图2所示。

振动能通过能量转换电路，将振动能转换成电能，然后通过储能电路储存，再经过DC-DC升压电路进入到智能电源管理电路。系统默认选择振动产生的能量，当振动产生的能力不足时，自动切换到锂电池供电。储能电路正常工作电压是2．7 V，而智能电源管理电路正常工作电压是5 V，所以设计了DC-DC升压电路，经过升压电路，2．7 V输入电压变为5 V输出，使智能电源管理电路能够正常工作；可充电锂电池正常工作电压是3．7 V，系统工作电压主要是3．3 V，因此设计了LDO电源电路。通过LDO电源电路，3．7V输入电压变为3．3V。