20 ноября 2016г.
В современном мире беспроводные сенсорные сети (БСС) являются актуальной передовой технологией в области автоматизации процессов сбора информации, мониторинга и контроля характеристик различных технических объектов. Основной проблемой, с которой сталкиваются технические специалисты при обслуживании БСС мониторинга, является постоянная замена аккумуляторов у сенсорных узлов. Современные аккумуляторные батареи практически не изменились по сравнению с постоянно развивающейся вычислительной техникой и электроникой. Разработка и изготовление интеллектуального источника питания (ИИП) для автономного беспроводного сенсорного узла (БСУ) очень актуальна, а также позволит повысить надежность и отказоустойчивость системы мониторинга.
Для создания ИИП было проанализировано энергопотребление нагрузки - БСУ. Энергопотребление БСУ за один энергоцикл в основном состоит из энергии, уходящей на прослушивание эфира, на отправку информации, на спящий режим и выход из спящего режима[1]. Для используемого приемопередающего модуля стандарта IEEE 802.15.4 ZigBee максимальный ток потребления в режиме передачи составляет 250 мА при напряжении 3В, динамический ток потребления управляющего микроконтроллера - 7 мА, ток потребления термокаталитического газового цифрового сенсора в режиме нагрева и измерения не более 50 мА, ток потребления флэш-памяти 5мА.
Для продолжительной автономной работы БСУ потребовалось разработка специализированного ИИП с использованием альтернативного источника энергии, который позволял бы в продолжительный солнечный день самостоятельно зарядить относительно небольшую литий-полимерную аккумуляторную батарею. Согласно требованиям энергопотребления БСУ, был разработан и изготовлен макет ИИП, состоящий из специализированной микросхемы заряда от солнечной батареи, сверхъёмкой тонкопленочной конденсаторной ячейки, микропотребляющего микроконтроллера, высокоэффективного импульсного инвертирующего преобразователя. Использование литий-полимерного аккумулятора дает ряд преимуществ, среди которых высокая энергетическая плотность, низкий саморазряд, отсутствие «эффекта памяти». Макет ИИП, изготовленный по технологии поверхностного монтажа, представлен на рисунке 1. Согласно проведенным лабораторным испытаниям разработанный макет ИИП обеспечивает общую энергоемкость 8 Вт*час и максимальный импульсный ток 1,2А, заряд от USB или от солнечной батареи.
При разработке макета ИИП была использована специализированная микросхема
(СМ) с функцией отслеживания точки максимальной
мощности солнечных батарей. СМ имеет функцию
защиты от короткого замыкания на аккумуляторе, дополнительно микросхема позволяет регулировать режимы работы в зависимости от температуры аккумулятора, тем самым защищая батарею от перенагревания. СМ отвечает за зарядку аккумулятора от контура с альтернативным источником энергии.
ИИП работает в нескольких режимах – сон, зарядка, режим ожидания, режим нагрузки. ИИП имеет классический способ заряда литий-полимерного аккумулятора, состоящий
из трех этапов. Первый — это заряд постоянным током I , второй — заряд
при постоянном напряжении U (рисунок 2), третий – постоянное напряжение и
переменный ток. На рисунке 2 первый этап необходим в то время, когда напряжение на
аккумуляторе U ниже определенного установленного значения. При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения
функционирования напряжение на
аккумуляторе
может упасть значительно ниже
стандартного. Малый ток заряда I обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют, после чего включается
основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона
напряжений.
На втором этапе заряд осуществляется номинальным током I, который измеряется в
долях от номинальной емкости аккумулятора.
График
роста напряжения
U на аккумуляторе, показанный на рисунке 2, практически носит линейный характер. На третьем этапе напряжение на батарее U практически максимальное, а ток I уменьшается
по экспоненте, это в первую очередь связано с внутреннем сопротивлением заряжаемого
аккумулятора.
Третий
этап может быть самым большим по времени.
В состав разработанного ИИП входит специализированная микросхема[2] с выходным интерфейсом I2C для контроля режима работы литий-полимерного аккумулятора
с относительно низким током потребления в активном режиме - 103мкА. Цифровая малопотребляющая микросхема индикации уровня заряда использует
специализированный алгоритм для замера емкости аккумуляторной батареи, состояния
заряда(мА*ч), времени беспрерывной работы (мин), время до отключения (мин),
напряжения аккумуляторной
батареи(мВ), температуры (°C) и состоянии здоровья(%).
В состав ИИП входит высокоэффективный (96%) инвертирующий импульсный
преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. Данный преобразователь повышает
напряжение для питания основной части БСУ. На рисунке 3 представлена осциллограмма напряжений: канал C1 – напряжение на аккумуляторе, C2 – выходное напряжение
инвертирующего преобразователя, С3 – напряжение на внешнем дросселе
инвертирующего
импульсного
преобразователя.
Управляющий микроконтроллер БСУ, используя последовательную шину данных
(I2C), получает информацию от СМ индикации уровня заряда. Периодически информация о состоянии аккумулятора БСУ передается в БСС в качестве
служебного пакета.
Использование СМ индикации состояния аккумулятора позволяет собрать более
детальную информацию о свойствах удаленного конечного спящего узла. Полученная по
беспроводной сети информация об ИИП позволяет оператору системы мониторинга вовремя заменить полностью утративший работоспособность аккумулятор.
Возможность питания БСУ от энергии, собранной из окружающей среды ИИП, позволяет разработчикам создавать более надежные системы мониторинга.
Разрабатываемый ИИП - это решение для бурно развивающихся в настоящее время БСС. Уникальные характеристики позволяют эффективно использовать маломощные
источники энергии для питания автономных устройств, существенно упрощая процесс
развертывания сетей беспроводных датчиков и навсегда решая проблему питания удаленных элементов в
сети.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки
Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0134 , уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0134) с использованием оборудования
ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на
базе НПК «Технологический
центр».
Список литературы
1.
Суханов А.В.
, Артемова А.И.
, Евмириди А.С. Анализ
энергопотребления и энергоэффективности автономных беспроводных сенсорных узлов / Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем
/ Сборник научных трудов
по итогам международной
научно-практической конференции. № 2. Казань, 2015. С. 5-7
2.
Texas Instruments. Battery Fuel Gauge Overview, 2016
[Электронный ресурс]. URL: http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/battery-fuel-gauge-overview.page ( дата обращения 1.09.2016)
