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(shù)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(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(gòu)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
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