由于电池的频繁充放电造成其性能衰退加快，在效率和使用寿命上存在很多缺陷。国外对此已有相关的具体设计和应用。通过提高能量利用效率和增加多级能量存储器的方式延长使用寿命，但由于无线传感器网络节点的供电系统具有一定的针对性，每个系统都有其特定的应用环境和能量需求，实际应用中还需具体设计。因此，本节首先提出了基于能量收集技术的太阳能供电系统模型，然后针对农田信息远程监测系统的实际需求，设计了无线传感器网络节点太阳能供电系统，采用超级电容和聚合物锂电池组成两级能量存储器，并将能量系统与节点控制器相结合，对能量存储器进行状态监测和主动选择，减少了电池的充放电次数，极大地延长了节点的使用寿命。

1.基于能量收集技术的太阳能供电系统模型

环境能量经转换、储存和调节后就可以提供给负载。大多数能量收集系统都需要根据应用环境及实际需求进行具体设计，针对无线传感器网络节点，国外文献中已报道了一些具体的太阳能供电系统设计，据此本节提出了基于能量收集技术的太阳能供电系统模型。太阳能电池板将光能转换为电能，经调节电路后存储在多级能量存储器中。多级能量存储器一般设计为前级和后级两级，前级实现环境能量存储、负载供电以及为后级充电的功能，后级则可在无光能转换时作为负载的后备能源，并在自身消耗以后通过前级补充能量。传感器节点通过能量管理单元监测多级能量存储器的状态，完成供电电源选择和存储器充电控制的功能。

2.无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

在太阳能供电系统模型的指导下，设计了无线传感器网络节点长寿命太阳能供电系统，系统整体结构如图8-10所示。

3.能量转换和存储方法

传统的太阳能电池组件通过太阳能电池板直接为单级可充电电池充电，尽管电池一般具有几百次的充电循环次数，但频繁的充放电将会大大减少其使用寿命，而采用两级能量存储器的设计则可以有效地解决这一问题。两级能量存储器的前级必须具有较长的充放电循环次数以便存储频繁的、不稳定的能量输入，后级则应具有较高的能量密度以提供充足的后备能量输出。光照充足时，使用前级供电，光照不足且前级耗尽时，使用后级供电，并在后级消耗以后使用前级为其充电补充。通过供电电源选择，尽可能多地使用前级供电，减少后级的充放电次数，有效地延长其使用寿命。实际设计时，采用超级电容和聚合物锂电池分别作为前级和后级能量存储器。

超级电容具有重复使用寿命长、无记忆效应及充放电速度快等特点，其充放电循环次数大于50万次，十分适合作为前级存储器使用。后级存储器作为后备能源，有多种可充电电池可供选择。常用的可充电电池如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、液态锂离子电池和聚合物锂电池的性能比较如表8-2所示。聚合物锂电池具有循环寿命长、能量密度高、自放电率低、无记忆效应、无污染及安全性好等特点，更适合作为后级能量存储器。

图8-10 太阳能供电系统整体结构图

表8-2 可充电电池性能比较

4.能量管理策略

无线传感器网络节点通过监测两级能量存储器的电压，经逻辑判断，完成供电电源的选择和充电控制的功能。将能量状态监测纳入无线传感器网络系统中，不仅可以实现合理地选择供电电源，有效地延长使用寿命，还可以根据能量状态调整网络通信的参数，如根据各节点因光照不同引起的能量差异，调整各节点的数据发送频率及数据传输任务的分配，实现具有能量感知的无线传感器网络信息传输。

实际设计时，聚合物锂电池的充电电路由锂电池专用充电管理芯片完成，供电电源的选择则由节点控制器控制低功耗的双路模拟开关器件完成。在控制程序中，首先设定电容切换门限电压和电池切换门限电压，然后将检测到的实际电压与门限电压进行比较判断，在保证节点正常工作的条件下，尽可能多地选择电容供电，减少电池充放电次数，并在电池电压低于设定值时，使用电容通过充电电路对其充电。

5.电路设计

电路由充电管理电路、电源选择电路和稳压电路三部分组成。

（1）充电管理电路

充电管理电路由美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片BQ2057系列芯片来完成。BQ2057系列芯片适合单节（4.1V或4.2V）或双节（8.2V或8.4V）锂离子（Li-Ion）和锂聚合物（Li-Pol）电池的充电需要，同时根据不同的应用提供了MSOP、TSSOP和SOIC的可选封装形式，利用该芯片设计的充电器外围电路极其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器连接实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。

1）功能及特性。

BQ2057系列充电芯片为满足设计需要，提供了多种可选封装及型号，其封装形式如图8-11所示，有MSOP、TSSOP和SOIC三种封装形式。其型号有BQ2057、BQ2057C、BQ2057T和BQ2057W四种，分别适合4.1V、4.2V、8.2V和8.4V的充电需要。在这里，根据需要采用BQ2057C芯片。

图8-11 BQ2057的封装选择图

BQ2057的引脚功能描述如下：VCC（引脚1）：工作电源输入；TS（引脚2）：温度感测输入，用于检测电池组的温度；STAT（引脚3）：充电状态输出，包括充电中、充电完成和温度故障三个状态；VSS（引脚4）：工作电源地输入；CC（引脚5）：充电控制输出；COMP（引脚6）：充电速率补偿输入；SNS（引脚7）：充电电流感测输入；BAT（引脚8）：锂电池电压输入。

2）充电状态流程。

BQ2057的充电曲线如图8-12所示，充电状态流程如图8-13所示，BQ2057的充电分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。

预充阶段：在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压V_CC，当工作电压过低时充电器进入睡眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压V_BAT，当电池电压V_BAT低于低压门限V_MIN时，BQ2057以恒流I_REG10%的电流I_PRE对电池预充电。

图8-12 BQ2057充电曲线

图8-13 BQ2057充电状态流程

恒流充电阶段：在完成对电池预充或电池电压V_BAT低于恒压V_REG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻R_SNS上的压降监控充电电流，该电阻可采取高/低边的连接方式，在高边电流检测中R_SNS接在VCC和SNS引脚间，在低边电流检测中R_SNS接在VSS和SNS引脚间，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由下式计算：

式中，I_REG为预期的充电电流，V_SNS可在BQ2057的电特性表中查得。

恒压充电阶段：当充电电压达到恒压V_REG时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内，恒压精度高于±1%，BQ2057通过BAT和VSS引脚监测电池组电压，当充电电流达到终止门限I_TERM时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压V_RCH时自动开始重新充电。

3）电池温度监测。

BQ2057通过测量TS与VSS引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测，常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的V_TS1和V_TS2门限电压比较以决定是否允许充电。由于外部分压及内部门限电压均以VCC为参考，保证了温度检测电路不受工作电源VCC的波动影响。当把TS引脚连到VCC或VSS时，可以禁止BQ2057的充电功能。

4）充电状态指示。

BQ2057通过三态引脚STAT报告当前的充电状态：充电状态高电平、充电完成低电平、温度故障或睡眠状态高阻态。当将STAT引脚与单LED或双LED反接方式连接时，可实现充电状态的LED指示，也可以将STAT口与仪器微控制器连接，微控制器通过识别STAT口的三种状态实现仪器的智能管理。(www.daowen.com)

5）典型充电器电路设计。

利用BQ2057设计的充电器电路简单，可广泛应用于目前的便携式电子系统的电源管理，对于便携式电子产品的紧凑设计很有意义。采用BQ2057设计的锂电池充电电路可实现对一节或两节锂电池的充电，工作电源DC+根据充电锂电池组的电压选择，推荐工作电压为4.5～18V，电池组的正端电压PACK+接BAT引脚，TS引脚检测电池组的热敏电阻NTC通过分压电阻后的分压值，以此判断温度是否正常，BQ2057可设计由PNP型晶体管或P沟道MOSFET管充电，在选择时应满足功耗要求，采用PNP型晶体管的充电电路如图8-14所示。在无线传感器网络节点电源电路设计中，选择了BQ2057C芯片设计仪器的4.2V锂离子电池组充电电路，该充电电路非常简单，整个充电过程及状态显示均由BQ2057单独实现，整个电源管理模块简单可靠，该充电器电路对于涉及锂电池充电要求的电子系统设计很有价值。

图8-14 采用PNP型晶体管设计的BQ2057C充电器电路

（2）电源选择电路

电源选择电路主要由单刀双掷的模拟开关MAX4544芯片来完成。单刀双掷的模拟开关MAX4544芯片的应用接线可参阅相关说明书。MAX4544的内部结构及外形图，如图8-15所示。

图8-15 MAX4544的内部结构及外形图

（3）稳压电路

稳压电路采用的是MIC5209-3.3BS芯片，它是美国微芯科技公司产品。MIC5209有一个系列，经查其说明书，MIC5209-x.xBS是用于3.3V稳压。

MIC5209-x.xBS的外形图和内部结构图，以及实际应用图分别如图8-16、图8-17所示。

图8-16 MIC5209-x.xBS外形图及内部结构图

6.系统实施

环境信息远程监测系统利用无线传感器网络技术，实现了环境信息（环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤湿度）的自动采集、数据传输和远程监测，系统整体结构如图8-18所示。无线传感器网络节点采集的信息经网关节点汇集转发，然后通过全球移动通信系统/通用无线分组业务（GSM/GPRS）网络连接至Internet服务器，完成数据存储、信息发布以及客户端浏览等功能。考虑到环境中丰富的太阳能资源，非常适合利用太阳能为节点提供能量。

根据系统实际需求，设计了节点太阳能供电系统，具体器件选型如表8-3所示。为加快实验测试进程，选择的聚合物锂电池的容量为300mAh，实际应用中可根据需求选择足够容量的电池。

图8-17 MIC5209-x.xBS实际应用图

图8-18 环境信息远程监测系统整体结构

表8-3 实验测试时的器件选型

7.实验测试与分析

实验测试了传感器节点的功耗和连续工作时的性能。传感器节点每10s采集并发送一次传感器信号和能量存储器电压信号至网关节点，网关节点与服务器通过串口通信完成数据记录。

（1）传感器节点功耗测试

测试开始前，将300mAh聚合物锂电池电量充满，电压为4.2V，不再提供太阳能充电，单独使用电池供电至电量耗尽系统停止工作为止，设置电池切换门限电压为3V。测试结果如图8-19所示，从10月29日09：56开始，至10月31日04：04系统停止工作，持续时间为42h，可得节点平均电流消耗为300mAh/42h=7.1mA。

假设传感器节点数据发送周期的占空比为D_c，节点通信时电流为I_active，节点休眠时电流为I_sleep，则节点平均电流消耗I_average。可通过下式得到

I_average=D_cI_active+（1-D_c）I_sleep

测试时为加快实验进程，在节点待机期间未使用低功耗模式，此时测量其待机期间平均电流约为4mA，而使用低功耗模式时，平均电流约为300μA，根据上式，令I_average=7.1mA，D_c=10%，I_sleep=4mA，则可得I_active=35mA。若待机期间使用低功耗模式，则I_average=35mA×0.1+0.3mA×0.9=3.77mA。

工作时间可延长至300mAh/3.77mA=79.6h。若设计为每1min发送一次数据，即D_c=1/60，则I_average=0.88mA，工作时间可延长至340.9h。据此可知，使用低功耗模式及降低节点通信频率，可有效地延长节点无光照时的持续工作时间。电池单独供电时电池电压如图8-19所示。

（2）传感器节点连续工作供电性能测试

测试时间开始于18：00，连续测试持续时间24h，测试结果如图8-20所示。图8-20a为超级电容和锂聚合物电池的电压变化曲线，图8-20b则为供电电源选择的切换状态。

图8-19 电池单独供电时电池电压

图8-20 传感器节点连续工作供电性能测试

无光照时，电容初始电压为0.7V，电池初始电压为4.1V，此时由锂电池供电；约14h后，锂电池电压从4.1V降至3.7V；有光照后，电容电压从0.7V升至3.5V，此过程约需30min，然后切换至电容供电，电容升至4.5V后开始给电池充电，锂电池电压回升至4.1V约需4h光照。光照不足时，电容电压从4.8V降至3.5V，此过程为电容供电，可持续约1h，然后切换至锂电池供电。

由此推算，在现有测试条件下，每天3～4h的光照时间即可保证节点持续工作约4～5年（充电锂电池寿命一般为4～5年，如果充电电池到时仍可使用，则工作时间更长），还可以通过降低节点通信频率等方式进一步延长节点工作时间。若光照时间不满足要求，则当电池容量不足时无法保证节点的连续工作，而只能间歇性工作。增大锂电池容量，则可以增加节点在无光照时的连续工作时间，保证节点长期持续工作。