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基于传感器网络的智能能源管理系统设计智能能源管理系统是指通过使用先进的传感器技术和网络通信技术，实现对能源的智能化监测、管理和控制，以提高能源利用效率、降低能源消耗和减少环境污染。
本文将详细介绍基于传感器网络的智能能源管理系统的设计。
1. 引言能源是社会经济发展的重要支撑，而能源消耗与环境问题已成为全球关注的焦点。
因此，设计一种高效的智能能源管理系统，对于实现可持续发展和低碳生活具有重要意义。
2. 传感器网络技术传感器网络是由大量的分布式传感器节点组成的，通过无线通信网络进行数据传输和信息交换。
传感器网络可以实时采集和传输各个节点的环境参数和能源使用情况，为能源管理提供数据支持。
3. 智能能源监测传感器节点可以通过采集环境温度、湿度、光照等数据，实时监测能源的使用情况。
通过数据分析和处理，可以对能源消耗进行精确监测和评估，为制定合理的能源管理策略提供依据。
4. 能源管理与优化基于传感器网络的智能能源管理系统可以对能源使用情况进行实时监测和分析，进而优化能源的使用。
系统可以自动根据不同的环境参数和能源需求，调节照明、空调等设备的运行状态，以降低能源消耗和提高能源利用效率。
5. 能源控制和反馈传感器网络可以与能源设备进行联动控制，实现对能源设备的远程控制和管理。
通过与智能电表等设备的连接，可以实现能源的计量和费用管理，并提供用户实时的能源使用情况反馈，以促使用户节能减排。
6. 能源数据分析和决策支持基于传感器网络的智能能源管理系统可以对大量的能源数据进行存储、分析和处理，通过数据挖掘和机器学习等技术，提取能源使用规律和趋势，为能源管理决策提供科学依据。
7. 安全与隐私保护在智能能源管理系统的设计中，安全与隐私保护是重要的考虑因素。
通过采用加密和身份认证等技术，可以确保系统的数据传输和存储安全，以防止未授权的访问和信息泄露。
8. 智能能源管理系统的应用前景基于传感器网络的智能能源管理系统已经在工业、商业和家庭领域得到了广泛应用。
技术创新《微计算机信息》2012年第28卷第10期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》测控自动化太阳电池供电的无线传感器网络节点设计Solar-powered wireless sensor network node design(中央民族大学)王继业范彧洪小叶WANG Ji-Ye FAN Yu HONG Xiao-Ye摘要:本文设计了一种由硅太阳能电池供电,超级电容器能量存储的无线传感器网络节点,并就获得太阳电池的最大输出功率、选择储能元件以及如何动态调整系统工作的占空比以获得最佳工作状态等问题进行了讨论。
本设计的节点和采用锂电池的系统比,具有工作温度范围比宽、工作寿命长的特点,并在实际当中得到应用。
关键词:无线传感器网络;能量收集;太阳能;超级电容器中图分类号:TN43文献标识码:BAbstract:In this paper a wireless sensor network node that is powered by silicon solar cell is designed and the energy is stored in a super capacitor,it is discussed how to obtain the maximum output power of solar cells and how to select energy storage compo -nent and how to dynamically adjust system work duty to get the best working station.The design of the nodes has the wider operat -ing temperature range and the longer life characteristics than that used lithium battery systems,and applied in practice.KeyWords:wireless sensor network;Energy harvesting;Solar Energy;Super capacitor文章编号:1008-0570(2012)10-0078-031引言无线传感器网络是近年电子信息领域的研究热点。
无线传感器网络方案设计无线传感器网络（WSN）是一种由大量分布在广域范围内的低成本无线传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点可以感知环境中的各种参数，并将所感知到的信息通过网络进行传输和处理。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在设计一个适用于某种特定场景的无线传感器网络方案。
一、方案需求分析在开始设计无线传感器网络方案之前，我们首先需要对场景需求进行分析。
该场景可能需要监测的参数、传感器节点数量、网络拓扑结构、数据传输要求等都需要明确。
例如，在环境监测方案中，传感器节点可能需要感知温度、湿度、光照等参数，并将这些数据传输至中央控制中心进行监测和分析。
二、选择传感器节点和通信协议根据场景需求，选择适合的传感器节点和通信协议是关键。
常见的传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
通信协议方面，常用的有无线HART、LoRa、ZigBee等。
根据具体需求，我们需要综合考虑节点功耗、传输距离、通信带宽等因素来选择合适的传感器节点和通信协议。
三、确定节点布局和网络拓扑在布置传感器节点时，需要考虑节点之间的距离、传输范围、互联互通等因素。
通常，节点应该均匀分布在整个监测区域内，以便能够全面感知环境参数。
网络拓扑方面，常见的有星型拓扑、网状拓扑等。
具体选择哪种拓扑结构取决于场景需求，比如星型拓扑适合节点数量较少的场景，而网状拓扑适合节点数量较多且需要互联互通的场景。
四、考虑能量供应和能耗优化由于无线传感器节点通常需要长时间运行，因此能量供应和能耗优化是不可忽视的因素。
传感器节点可以通过太阳能、电池等方式获取能量供应。
为了优化能耗，可以采取以下策略：降低通信功率以减少能耗、优化传输距离以减少功率消耗、选择低功耗的传感器节点等。
五、数据传输和处理设计合适的数据传输和处理方案对于无线传感器网络的正常运行是至关重要的。
数据传输可以通过无线信道进行，在传输过程中需要考虑信号干扰、数据安全等问题。
物联网技术中的无线传感器网络设计与优化一、引言随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络作为其基础设施之一在各个领域得到了广泛应用。
无线传感器网络设计与优化是保障物联网系统性能的重要环节。
本文将从物联网技术中的无线传感器网络设计与优化方面展开讨论。
二、无线传感器网络概述无线传感器网络是由大量分布式传感器节点组成的一种网络结构，传感器节点可以感知环境信息并进行通信。
它具有自组织、自配置、自修复等特性，能够实现对环境信息的实时监测和数据采集。
三、无线传感器网络设计的关键问题1. 网络拓扑设计：无线传感器网络的拓扑结构会直接影响网络的性能。
常见的网络拓扑结构包括星型、树型、网状等。
在设计过程中，需要根据应用需求和环境特点选择合适的拓扑结构，并考虑节点分布、通信距离和能量消耗等因素。
2. 能量管理：无线传感器节点通常使用电池供电，能量是网络长时间运行的关键因素。
节点能量管理的任务是根据实际需求合理分配节点的能量，延长整个网络的寿命。
常见的能量管理策略包括节点充电、能量收集和能量节约等。
3. 路由协议设计：路由协议是无线传感器网络中的关键问题之一，它影响着网络的传输效率和稳定性。
常见的路由协议有基于距离的路由、基于能量的路由、基于链路状态的路由等。
在设计过程中需要考虑网络规模、节点能力、数据传输要求等因素。
4. 安全性设计：无线传感器网络的安全性设计是确保网络数据传输安全的重要手段。
安全性设计包括对网络通信进行加密、防止网络攻击等方面。
对于物联网系统而言，数据的安全性至关重要，保护数据安全是设计的首要任务。
四、无线传感器网络优化策略1. 能量优化：能量优化是无线传感器网络设计中的重点问题。
通过降低节点能量消耗来延长网络寿命。
一种常见的优化策略是增加节点之间的通信距离，减少节点间的通信次数，降低能量消耗。
2. 带宽优化：带宽是影响网络传输速率的关键因素。
通过优化网络拓扑结构、选择合适的信道分配方式等，可以提高网络的带宽利用率，减少数据传输的时延。
无线传感器网络的设计方案无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由多个分布式、自组织的传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的物理或化学参数。
在各种应用领域，例如环境监测、智能交通、无人机控制等，无线传感器网络都发挥着重要的作用。
为了确保无线传感器网络的高效运行和可靠性，设计一个合理的网络架构和通信方案至关重要。
本文将介绍一个设计方案，以实现一个具有高性能和可靠性的无线传感器网络。
一、网络拓扑结构设计为了达到高效的通信和资源利用，无线传感器网络通常采用多层、分布式的拓扑结构。
其中，典型的拓扑结构包括星型、网状和集簇等。
在设计网络拓扑结构时，需要考虑以下几个因素：1. 覆盖范围：根据应用需求和监测区域大小，选择合适的网络拓扑结构。
对于大范围的监测区域，可以采用星型或网状结构；而对于局部区域监测，可以采用集簇结构。
2. 能量消耗：无线传感器节点通常由电池供电，因此在设计网络拓扑结构时，需要考虑节点能量消耗的均衡。
合理选择节点的位置，减少能量消耗不均衡现象，延长整个网络的寿命。
3. 通信效率：网络拓扑结构的设计应该确保节点之间的距离尽量接近，以提高通信效率。
同时，避免冗余的节点连接，减少通信负载。
二、节点通信协议设计在无线传感器网络中，节点之间的通信是通过协议来实现的。
设计一个高效的通信协议可以提高网络的可靠性和传输效率。
以下是设计节点通信协议时需要考虑的几个因素：1. 数据传输方式：根据应用需求和传输特性，选择合适的数据传输方式。
例如，可以采用直接传输方式、多跳传输方式或基于路由的传输方式。
2. 路由选择算法：根据网络拓扑结构和节点分布情况，设计合适的路由选择算法。
例如，可以采用最短路径算法、最小代价算法或基于能量消耗的路由算法。
3. 数据压缩和聚合：为了减少能量消耗和网络带宽占用，可以设计数据压缩和聚合技术。
将相似的数据进行压缩和聚合，减少无用数据的传输。
无线传感器网络设计传感器网络是一种由大量的节点组成的网络，这些节点配备有传感器，能够感知环境中的各种物理和化学信息，并将这些信息传输给网络中其他节点。
无线传感器网络是一种特殊类型的传感器网络，其节点之间通过无线通信进行数据传输。
无线传感器网络设计的目标是实现高效可靠的数据传输和处理，并且能够应对复杂的环境需求。
设计一个成功的无线传感器网络需要考虑以下几个方面：1. 节点布局：节点的布局对网络的性能有重要影响。
节点之间的距离和分布应该合理，以确保网络的覆盖范围和信号质量。
布置节点时，还应考虑能耗均衡，以避免某些节点过早失去能量而使网络无法正常工作。
2. 路由协议：无线传感器网络中的节点通常是分散在一个广阔的区域内，节点之间的通信需要通过多跳传输来完成。
因此，选择合适的路由协议对网络的性能至关重要。
常用的路由协议包括LEACH、TEEN、PEGASIS等，根据网络的需求选择最合适的协议。
3. 能耗管理：无线传感器网络中的节点通常由电池供电，能耗管理是设计过程中的重要考虑因素。
通过降低节点的活动频率、使用能效更高的硬件和算法等方式，能够有效延长网络的寿命。
4. 安全性：无线传感器网络中传输的数据通常包含敏感信息，保证网络的安全性对于某些应用非常重要。
使用加密算法对数据进行加密，限制节点的访问权限，以及检测和防范网络攻击是提高网络安全的关键手段。
5. 数据处理和存储：无线传感器网络通常需要处理和存储大量的数据。
合理的数据处理和存储机制可以提高网络的性能和可靠性。
例如，可以使用数据压缩算法减少数据传输量，采用分布式存储机制提高数据可靠性。
综上所述，无线传感器网络设计需要考虑节点布局、路由协议、能耗管理、安全性以及数据处理和存储等方面。
合理地选择和配置这些要素可以提高无线传感器网络的性能和可靠性，从而满足各种应用的要求。
无线传感器的供电方案摘要：在对无线传感器供电设计上，实现了其自然能量供电，探索了高效安全的充电控制方法。
实验证明，这种以自然能量供电的无线传感器功耗较小，调整性能较好，生存周期较长，能适用于多种户外环境、森林防火以及精细农业等行业领域。
这种无线传感器的供电设计为类似无线传感器自然能量的供电设计提供了可供参考的设计经验。
关键词：无线传感器；自然能量；供电设计前言无线传感器网络用于工业现场的状态信息采集时，应用对象和应用环境均发生变化。
工业生产过程，除需对温度、压力等慢变量进行采集外还需对机械振动等快变量进行变送。
由于在线监测时无线传感器网络节点连续工作时间长，耗电量较大，需要采用在线供电。
工业环境存在大量电动设备和工具，尽管进行了相应保护，仍然对电网存在一定污染，呈现为浪涌电压和高次脉冲群等干扰。
相对于线性电源，开关电源不仅效率高、体积小，而且调压范围广，抗干扰能力强，是工业环境理想的电源。
然而，开关电源的工作原理决定了输出电压存在因功率器件开关动作引起的电源开关噪声，对后级电路将产生一定影响，尤其对噪声敏感的模拟量采集与无线通信模块影响显著。
对低频电源噪声对微波振荡器的输出之间的关系进行了研究，而开关噪声频谱极宽，相对低频噪声来说，对通信模块的影响更加严重。
目前，无线传感器网络所使用的通信芯片均针对电池供电进行设计，当电源出现一定噪声时，性能下降较多，研究噪声对无线传感器网络节点的影响，并提出一种合理的电源方案，对工业现场快信号的采集具有重要意义。
1.可充电传感器节点的供电设计无线传感器若是仅仅使用蓄电池将受到充电次数的限制，使用超大电容的蓄电池可缓解充电次数受到限制的问题。
根据自然能量向电能的转化技术，我们先进行了干电池以及充电电池的放电对比实验。
分别以，1500mAh干电池和1700 mAh充电电池对比两种电池都为相同的传感器节点供电，传感器节点以1 min为周期，用1%的占空比让LFD灯工作，测试周期为3min。
基于太阳能的温室无线传感器网络监测系统设计司敏山, 高艺(南开大学信息学院,天津300071) 摘要:设计提出了基于太阳能的温室无线传感器网络监测系统设计,利用无线收发设备传输数据,无需专门架线,系统结构简单,节省了人力物力,通过监测管理中心可实现对温室温湿度的控制、二氧化碳含量测量、光照度信息采集和图像监控等功能,实现真正意义上的无人值守,与普通无线技术相比,还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点。
传感器节点采用基于太阳能的能量供给系统无线传感器网络节点结构。
该结构采用MSP430超低功耗MC U以及低功耗网络传输芯片nR F24L01,尽可能降低系统能耗。
另外,该系统利用多级能量内存,结合能量管理与能量转移技术,使由太阳能电池采集到的能量得到合理的利用,从而构成具有自我管理能力的能量供给系统,实现了为无线节点永久性供电与无线传感网络无限使用的目的。
关键词:无线传感器网络;温室;太阳能;环境监测 中图分类号:S625 文献标识码:A 文章编号:100328329(2010)022*******Gr eenhouse W i r eless Sen s or Network M on itor i n g System Desi gnBa sed on Sol ar En er gyS IM i n2shan, GA O Y i(C ollege of I nform a t i on Techn ica l Sc i ence,Nan Ka i Un i ver sity,T i an j i n300071,C h i na)Ab stra ct:This paper puts f or wa r d greenhouse wirele ss sensor net wor k monitoring syste m design based on solar energy.I t tr ans m its da ta thr ough wireless receiving and sending equi pment without setting up e lec tric wiring.The syste m structure is si mp le,which saves the m anpower and ma terial r e s ources.The monit oring and manage m ent center can contr ol the te mperature and hum idity of the greenhouse,m ea sur e the carbon di oxide content,collect the inf or mation about intensity of illum ina2 tion,monit or and contr ol the pictures.I n this way,then no m anpower w ill be pared with ordinary wireless technology,this syste m design consu m es less ene r gy,costs le ss money and has large internet ca pacity.The sens or nodes receive the solar ener gy and supp ly it t o the w irele ss sensor ne t w ork.This system adopts MSP430MCU with super low ene r gy c onsu m pti on and net work tr ans m itting chip nRF24L01with l ow energy consumption to reduce syste m c onsumpti on a sm uch a s possible.W hat’s mor e,this system adop ts multilevel ene r gy me m ory.I t combine s energy m anage2 m ent with energy transfer,which m ake s the energy collec ted by s olar ene r gy batteries be used rea2 sonably.The r ef ore,the se lf-m anaging energy supply syste m w ill be e stablished,and the w irele ss nodes will r ece ive pe r m anent power supply and the wirele ss sensor net wor k can be used without li m i2 tati ons.Key word s:wireless sensor ne t w ork;greenhouse;solar ene r gy;envir on m ent monit oring :1971-:3作者简介司敏山(),男,南开大学信息技术科学学院,高级工程师,主要研究方向无线传感器网络、智能检测与控制。
无线传感器节点是以传感器为基础的设备，负责监测温度、湿度或压力等环境。
节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。
理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。
传感器可以是模拟或数字传感器。
现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线（I2C）、串行外设接口（SPI）或异步收发传输器（UART）界面为标准的数字传感器。
功耗极低的传感器在市面上亦有售。
为了保持设备低成本和小型化，配有集成BLE的MCU 能够简化设计，并缩短推出市场的时间。
为了进一步加快设计，许多厂商都使用高度集成，完全通过认证的可编程模块全球正进入一个各种系统都需要采集和交换数据的物联网(IoT)时代。
在传感器以无线方式连接，形成网络并实现设备间数据交换的物联网中，BLE发挥着至关重要的角色。
主机设备可以是能够监测和控制所有网络节点的智能手机。
此类物联网(IoT)应用包括日常活动追踪以及家庭自动化功能，如高效住宅照明、温度和湿度监测与控制、远程控制消费类电子设备等。
嵌入式 MCU 提供各种低功耗模式，以减少电流消耗。
固件设计人员需要考虑这些低功耗模式和设计代码，这样，平均电流的消耗就能减至最低。
例如，传感数据并不是瞬速变更的，固件需要间中扫瞄传感数据（例如每隔 5 至 10 秒钟，时间间隔视乎传感器而定）。
传感器的已读数据通过 BLE，以无线方式传输。
无线传感器节点（WSN）在促进物联网（IoT）发展方面发挥着关键作用。
WSN的优点在于，它的功耗极低，尺寸极小，安装简便。
对很多物联网的应用而言，譬如安装在室外的应用，WSN 可使用太阳能供电。
当室内有光，系统就由太阳光供电，同时为微小纽扣电池或超级电容器充电，以在没有光的情况下为系统供电。
典型的模拟传感器包括用于监测烟雾、气体、环境光线、人员感应等的传感器。
数字传感器包括监测温度、湿度、压力、加速度等的传感器。
基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统研究一、引言随着物联网技术的迅速发展，各种无线传感器网络（WSN）应用越来越广泛，涉及领域包括环境监测、农业、智能交通等。
大多数传感器节点需要长期运行，而很多现场环境无法提供连续稳定的电源供应。
传感器节点的能源供应就成为了一个关键的问题。
目前，太阳能和风能被广泛应用于自然能源供电系统。
单一的能源供应方式在一些特殊情况下会出现不足的情况。
为了解决这个问题，可以将太阳能和风能互补应用于传感器节点能源供应系统。
这种互补的方式可以提高能源的稳定性和可靠性，实现传感器节点的长期运行。
本文将围绕基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统展开研究，探讨该系统的设计原理、关键技术以及未来的发展方向。
二、系统设计原理1. 太阳能供电原理太阳能供电系统通过光伏电池将太阳能转换为电能。
当太阳照射到光伏电池上时，光能被光伏电池吸收并转化为电能，然后通过充电控制器存储到电池中。
在太阳能充足的情况下，光伏电池可以为传感器节点提供稳定的电源。
2. 风能供电原理风能供电系统通过风力发电机将风能转换为电能。
当风速足够大时，风力发电机会被驱动转动，然后通过风能转换装置将机械能转化为电能，最终存储到电池中。
风能供电系统的特点是可以在夜间或太阳能不足时为传感器节点提供能源。
三、关键技术1. 太阳能-风能互补能源管理系统太阳能和风能的互补应用需要一个智能的能源管理系统来实现能源的优化分配，以充分利用两种能源的特点。
该系统需要能够对光伏电池和风力发电机进行实时监测和控制，根据不同的工作状态来调整电能的存储和分配，以满足传感器节点的能源需求。
2. 太阳能-风能互补电池组设计太阳能-风能互补电池组需要能够充分储存和释放电能，并且具有良好的循环寿命和稳定性。
设计这样一种电池组需要考虑到光伏电池和风力发电机供电的特点，以及传感器节点的能量消耗模式，以确保电池组能够提供稳定和可靠的能源供应。
四、发展方向1. 智能化能源管理系统未来可以研究开发一种智能化的太阳能-风能互补能源管理系统，该系统可以通过学习和优化算法来适应不同的环境和工作状态，从而实现能源的自适应管理，提高系统的能源利用效率和稳定性。
无线传感器网络的设计与实现无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统，通过无线通信进行数据传输和信息处理。
它具有广泛的应用领域，如环境监测、物流追踪、智能交通等。
本文将介绍无线传感器网络的设计与实现过程。
一、无线传感器网络的架构无线传感器网络由三个组成部分构成：传感器节点、基站和网络拓扑。
1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的核心组成部分，每个节点包含传感器、处理器、存储器以及无线通信设备。
传感器负责采集环境信息，将其转化为数字信号并进行初步处理。
处理器和存储器用于数据处理和存储。
无线通信设备则负责与其他节点进行数据传输。
2. 基站基站是无线传感器网络的中央控制节点，负责与传感器节点进行通信。
它接收传感器节点采集的数据，并进行进一步的分析和处理。
基站通常具有更强大的计算和存储能力，能够支持复杂的算法和应用。
3. 网络拓扑无线传感器网络的网络拓扑决定了节点之间的连接方式。
常见的网络拓扑包括星型、树状和网状等。
选择适合应用场景的网络拓扑能够优化网络性能和能耗。
二、无线传感器网络的设计与实现流程无线传感器网络的设计与实现包括以下几个关键步骤：需求分析、节点设计、通信协议选择、网络拓扑设计和系统实现。
1. 需求分析在设计无线传感器网络之前，首先需要进行详细的需求分析，明确网络的应用场景和功能要求。
例如，对于环境监测系统，需要确定监测范围、采样频率、数据传输需求等。
2. 节点设计传感器节点的设计是无线传感器网络设计的核心环节。
节点设计需要考虑功耗、传感器选择、处理器性能、通信模块等因素。
合理选择节点硬件和软件平台，设计出满足需求的传感器节点。
3. 通信协议选择通信协议是无线传感器网络中节点之间进行数据传输的关键。
常用的通信协议有IEEE 802.15.4、ZigBee等。
根据应用需求，选择适合的通信协议，保证数据传输的可靠性和效率。
无线传感器网络系统的设计和实现一、简介无线传感器网络系统是指利用无线通信技术和微型传感器技术，构建起一种能够感知、处理、传输、存储和控制信息的系统。
它由多个分布在空间中的传感器节点构成，节点间通过无线通信实现信息交换。
无线传感器网络系统广泛应用于环境监测、智能交通、工业自动化等领域。
二、系统设计无线传感器网络系统的设计需要经过以下几个步骤：1.需求分析在设计无线传感器网络系统时，首先需要明确系统应该实现的功能需求，例如监测温度、湿度、压力等环境指标或物体位置、速度等动态指标。
同时还需要考虑节点之间的通讯方式、协议标准、能耗限制等因素。
2.系统架构设计系统架构设计主要包括网络拓扑结构、节点类型、数据处理策略等。
网络拓扑结构包括树形结构、网格结构、环形结构等，选择不同的结构会对物理布局和节点之间的通讯产生影响。
节点类型分为传感器节点、数据收集节点、任务协调节点等，不同节点承担不同功能，需要考虑节点之间的协作。
数据处理策略根据具体需求选择不同的方法，如数据压缩、加密等。
3.硬件设计传感器节点硬件设计主要包括传感器模块、数据采集模块、无线通讯模块、能源管理模块等。
传感器模块负责感知环境信息，数据采集模块将感知到的数据进行采集和处理，无线通讯模块实现节点间的无线通信，能源管理模块则负责对能源进行管理以控制能耗。
4.软件设计软件设计主要包括协议栈设计、数据传输协议、路由协议等。
协议栈设计需要将不同的协议进行组合，构成完整的协议栈。
数据传输协议用于实现数据在节点之间的传输，具体传输方式视具体情况而定。
路由协议用于路由选择和节点之间通讯的转发，一个好的路由协议能够提高系统的通讯效率。
5.测试与优化在系统设计完成后，需要对系统进行测试与优化，发现存在的问题并及时解决，提高系统的性能和可靠性。
三、系统实现无线传感器网络系统的实现主要包括节点的布署、节点的配置、节点的联网等几个步骤。
1.节点的布署根据需求分析的结果，选择合适的节点类型和节点数量进行布署。
无线传感器网络节点太阳能供电系统设计关键词：太阳能；锂电池；充电管理芯片时间：2012-05-18 13:59:14 来源：单片机与嵌入式系统作者：王小强，欧阳骏，纪爱国引言电源是嵌入式系统的重要组成部分，特别是对于野外布置的无线传感器网络节点来说，供电线路的铺设难度较大，采用电池供电时需要定期更换电池，在一定程度上增加了系统维护的成本。
太阳能供电系统不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点的供电问题，而且还具有供电持久、环保节能和便于维护等优点，具有良好的应用前景。
太阳能供电系统设计的关键问题是通过太阳能电池板对锂电池进行充电，同时需要实时检测充电电压和充电电流，避免因过充而导致锂电池永久性损坏；此外还需要设计锂电池放电保护电路，对放电电压进行实时监测，防止过放电导致锂电池损坏。
1 太阳能供电系统简介太阳能供电系统主要由太阳能电池板、可充电锂电池、充电控制器和放电保护电路组成。
由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。
本文提出了一种基于太阳能的ZigBee无线传感器网络节点供电系统设计。
该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，以达到延长锂电池寿命的目的。
此外由于ZigBee 无线传感器网络节点所需电压为3．3 V，而锂电池的工作电压一般在3．6～4．2 V(正常放电电压为3．7 V，充满电时的电压为4．2 V)，所以需要DC-DC转换芯片产生所需要的工作电压。
对于ZigBee无线传感器网络节点而言，首先要考虑的是低功耗。
这里选用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007协议的SoC芯片CC2530，其工作电压是3．3 V。
综合考虑上述因素，提出如图1所示的太阳能供电系统总体示意图。
该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电管理电路被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充；由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要放电保护电路对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。
由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的DC-DC转换电路，为节点上的负载提供稳定的电压。
2 太阳能供电系统单元电路设计太阳能发电系统各个单元电路的设计主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式实现。
系统设计的思路是：首先估算系统总功耗，然后选择合适的锂电池，进而根据锂电池的容量来选择所需的太阳能电池板；根据太阳能电池板和锂电池的充电电压、充电电流等参数，可以选择合适的充电管理IC来设计充电控制电路；最后根据锂电池输出电压和ZigBee无线传感器网络节点所需的工作电压来设计合适的DC-DC变换电路。
2．1 锂电池的选取ZigBee无线传感器网络节点在数据发送期间所需的峰值电流为29 mA，在数据接收期间所需的峰值电流为24 mA。
通常情况下，每个ZigB ee无线传感器网络节点会设计几个传感器。
假设各种传感器所需的工作电流为30 mA，那么数据发送期间所需要的总电流为59 mA，数据接收期间所需要的总电流为54 mA，为了讨论问题方便，总电流取60 mA，那么锂电池可以选取容量为900 mAh。
表面上看，900 mAh的锂电池可以供该节点连续工作时间为：900 mAh／60 mA=15小时。
但是实际系统中，ZigBee无线传感器网络节点对数据的采集一般是定时采集，例如采集温度数据，由于温度变化减慢，所以可以定时采集，在此节点每小时工作50 s，其他时间都在休眠(休眠时工作电流在μA级，所以可以忽略不计)。
那么实际情况是：系统采用容量为900 mAh的锂电池供电，节点工作电流为60 mA，每小时工作50 s，可以计算出容量为900 mAh的锂电池可供节点工作时间为：1080小时=45天，即一个半月的时间。
当然上述讨论也是一种典型情况，如果系统需要每小时使节点工作时间大于50 s，则每节锂电池可以供节点工作的时间可能会缩短，这需要看具体的系统要求，但是一般情况下，选择锂电池时只需要能保证系统在充满电后可以连续工作15～20天就可以满足系统要求。
这主要是考虑到我国部分南方地区在雨季可能连续半个月的时间不出太阳，这时就需要考虑适当选取容量大一点的锂电池。
本设计所选用的是容量为900 mAh的锂电池，市场价在15～30元左右，该电池正常放电电压为3.7 V，充满电后电压为4.2 V，一般正常丁作电压为3.6～4.2 V。
2．2 太阳能板的选取选取太阳能电池板时主要考虑太阳能板的最大输出电压和输出电流。
一般给锂电池充电的电压要大于4．2 V，太阳能板的输出电流决定了充电时间。
常用的太阳能板主要有单晶和多晶电池板两种，单晶板和多晶板的区别在于最高效率的单晶电池片比最高效率的多晶电池片效率高约1％。
由于单晶的有刀角而并非完整的正方角，在使用中远远低于多晶，而且市场数量明显少于多晶。
同功率的单晶电池板价格要比同功率的多晶板高些。
本文采用的是输出电压为5．5 V，输出电流为140～150 mA的单晶太阳能电池板，尺寸为95 mm×95 mm；主要是考虑到野外安装时，如果太阳能电池板的体积太大不容易安装。
2．3 充电管理电路设计充电管理电路连接着太阳能电池板和锂电池，主要功能是将收集到的能量有效地存储在锂电池中，同时提供对锂电池充电过程中的过压、过流保护，防止因过充对锂电池造成的损害。
上海如韵电子有限公司的CN3063芯片可以用于太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。
该芯片内部的8位模拟一数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适用于太阳能电池等电流输出能力有限的靠电压源供电的锂电池充电的应用。
充电控制电路如图2所示。
当太阳能电池板输入电压大于低电压检测阈值和锂电池端电压时，CN3063开始对锂电池进行充电，引脚输出低电平时红色LED亮，表示充电正在进行；当充满电后，引脚输出低电平时绿色LED亮，表示充电完毕。
最大充电电流由ISET引脚的外接电阻决定，考虑到系统扩展需要，在本设计中，外接电阻R1取值为3．6 kΩ，则充电电流为：这里需要注意一点，虽然最大充电电流设为500 mA，但是当使用单片太阳能板时，最大输出电流为150 mA，此时CN3063芯片会自动调整最大允许充电电流为150 mA，这就是“输入限流模式”。
在此模式下用户只需要关注系统最大充电电流即可，所以该芯片非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。
这里设计的最大充电电流为500 mA，主要是考虑到系统升级需要，比如某些场合下可以使用两块太阳能板并联，则最大充电电流可以达到300 mA，此时系统硬件不需要改动。
锂电池充电过程示意图如图3所示。
锂电池充电过程分析。
当FB端检测到锂电池端电压低于3 V时，进行预充电，此时充电电流为最大充电电流的10％；当FB端检测到锂电池端电压大于3 V时，调整为恒流充电模式，同时自动检测锂电池端电压。
当锂电池端电压达到4．2 V时，自动调整充电模式为恒压充电模式，此时用小电流对锂电池充电，主要是为了防止“虚充”，当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束。
从整个充电过程分析可以看到，CN3063芯片可以自动检测充电电压，进而实现自动调节充电模式，使得充电效率较高。
因此，使用该芯片设计锂电池充电电路较为简单，利于推广应用。
2．4 放电保护电路和系统供电电路设计传统的放电保护电路是使用一路ADC来不断检测电池电压，当电池电压降低到一定程度时切断放电电路。
这在理论上是很容易实现的，但是在ZigBee网络节点中，系统软件设计时需要定时查询该路ADC的数值，这在一定程度上也增加了系统的功耗。
在此提出了一种使用电池端电压检测芯片CN301组成的锂电池电压检测电路，无需系统软件支持，完全使用硬件电路来检测电池端电压，当达到过度放电阈值时，自动切断系统放电电路。
放电保护电路如图4所示。
该电路工作原理分析：当电池端电压下降到过度放电低电压检测阈值时，LBO引脚输出低电平，NMOS管截止，PMOS管栅极为高电平，PMOS管截止，放电回路被切断，起到了保护锂电池过度放电的作用；当太阳能板自动对锂电池充电，充电电压达到高电压检测闯值时，LBO输出高电平，NMOS管导通，PMOS管栅极为低电平，PMOS管导通，放电回路重新被打开，如果ZigBee节点软件设计时配置为上电后自动加入网络并进行数据采集，那么该节点将会自动加入到原来的网络中。
锂电池过度放电低电压检测阈值计算公式如下：其中，Vrth为该芯片设定的阈值，大小为1．135 V；ILBI为引脚偏置电流范围为-100～100 nA，一般取0即可。
因为该芯片工作电流在1．8μA，所以对于电阻R1和R2的选型需要注意，应当选择阻值大一些的电阻。
笔者选用R1为2MΩ，R2为1MΩ，这样流过电阻的电流在μA级，功耗很低。
由于锂电池电压范同为3．6～4．2 V，ZigBee网络节点的工作电压为3．3 V，所以需要根据输入／输出的电压差来选择适当的LDO芯片，同时还需要考虑LDO的静态电流和效率。
笔者采用RT9183-33PG芯片实现电压转换，该芯片在输出3．3 V时，所需要的压差为110 mV，静态电流为：380μA。
3 PCB布局注意事项在具体的PCB布局时需要注意以下问题：①CN3063的ISET引脚外接电阻R1(充电电流编程)，应尽可能靠地近CN3063。
②CN3063的VIN、BAT引脚的外接电容要尽可能地靠近CN3063。
③为了使系统能够达到设定的最大充电电流，需要将CN3063背面裸露的金属板焊接到PCB板的地端，以达到最大的散热效果；否则，在充电过程中，CN3063芯片的热阻将增大，这将导致充电电流减小。
一般采取的措施是PCB顶面放置焊盘，接到CN3063的裸露的铜面上，为了便于焊接，可以放置4个小焊盘，4个小焊盘的面积要略小于CN3063底部裸露铜片的面积，这样既有利于焊接，又有利于芯片的散热。
结语电源的设计优劣关乎系统设计的成败，本文以ZigBee网络节点太阳能供电系统为例进行了讲解，通过充电控制电路和放电保护电路来实现对锂电池充放电的保护功能，延长锂电池的使用寿命，非常适合于野外布置的ZigBee无线传感器网络节点使用，本文的分析方法也适用于其他需要太阳能供电的系统。
