04 марта 2016г.
Беспроводные сенсорные сети в настоящее время являются актуальной передовой технологией в области самоорганизующихся систем контроля и управления различными процессами. Основная область применения автономных сенсорных сетей - это процесс круглосуточного мониторинга технологических операций на промышленных объектах [1]. Основная проблема, с которой сталкиваются технические специалисты при обслуживании сенсорных сетей мониторинга - это постоянная замена аккумуляторов у сенсорных узлов. Разработка и изготовление гибридного источника энергии для автономного сенсорного узла позволит повысить надежность и отказоустойчивость системы мониторинга.
В рамках проекта был разработан миниатюрный источник питания (ИП) на основе пьезоэлектрического вибрационного энергохарвестера [2] и солнечной батареи [3]. В качестве контроллера заряда батареи была выбрана интегральная микросхема LTC3331. Интегральная схема управления зарядом аккумуляторов LTC3331 потребляет от аккумулятора ток величиной не более 200 нА в режиме стабилизации напряжения на нагрузке при использовании накопленной энергии и не более 950 нА при работе от батареи и отсутствии нагрузки[4], что позволяет её использовать для сенсорных узлов. Разработанный ИП (Рисунок 1) на основе LTC3331 интегрирует высоковольтный источник с функцией накопления энергии, схему зарядного устройства и синхронный повышающе-понижающий преобразователь постоянного напряжения, питаемый от перезаряжаемого аккумулятора.
Разработанный ИП на основе интегральной схемы LTC3331 способен
накапливать энергию от источников как переменного (пьезоэлементы и магнитные
устройства), так и постоянного напряжения (солнечные элементы). Основными компонентами в структуре
LTC3331 являются
двухполупериодный мостовой выпрямитель, понижающий
преобразователь с высоким КПД, блок контроля понижения напряжения. Когда накопление энергии от энергохарвестеров невозможно, ИП переходит
в режим питания нагрузки от перезаряжаемого аккумулятора с включением каскада повышающее-понижающего преобразователя. При этом разработанный ИП может использовать весь диапазон напряжения батареи до 4,2В, отдавая в нагрузку
напряжение выше, ниже или равное входному.
Разработанный ИП автоматически переходит в режим питания от аккумулятора, когда источник накопления энергии становится
недоступным. График зарядки Li-Ion батареи от энергохарвестеров представлен
на Рисунке 2.
Входное напряжение от энергохарвестеров может
варьироваться от 3 В до 19 В, как постоянного, так и переменного. Порог отключения устройства функцией
защиты от пониженного входного
напряжения может
быть установлен в пределах от 3 В до 18 В, тем самым позволяя использовать режим накопления
энергии на максимальной мощности.
Разработанный ИП поддерживает различный диапазон входного напряжения от энергохарвестеров.
Одной из особенностей разработанного ИП является возможность регулировки выходного напряжения
и пикового тока нагрузки
посредством установки
логических уровней на специальных выводах в нужной комбинации, режим суперконденсаторного балансира, а также функция защитного
шунтирования входа. Переходные характеристики инвертирующего переключения и нагрузки
представлены на Рисунках 3 и 4.
Возможность питания беспроводных сенсорных устройств от альтернативных источников энергии позволяет разработчикам увеличить надежность сенсорных сетей [5]. 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».
Cписок литературы
1.
Суханов А.В., Прокофьев И.В., Гусев Д.В. Мультиагентная система
мониторинга web-датчиков, созданная на основе
наносенсорики // Нано- и микросистемная техника. -2014. №6. –С. 42-45.
2.
S. Roundy and P. K. Wright,
“A piezoelectric vibration based generator
for wireless electronics,” Smart Mater. Struct., vol.
13, no. 5,pp. 1131–1142, 2004.
3.
C. Park and P. Chou, “Ambimax: Autonomous energy
harvesting platform
for multi-supply wireless sensor nodes,” in Proceedings of the Sensor and Ad Hoc Communications and Networks.
SECON ’06., vol. 1, 2006.
4.
LTC3331 - Nanopower
Buck-Boost DC/DC with Energy
Harvesting Battery
Charger [Электронный ресурс] URL: http://www.linear.com/product/LTC3331 (дата обращения 03.09.2015)
5.
Суханов А.В. Интеллектуальный
источник питания
на основе альтернативных источников энергии для беспроводных сенсорных сетей / Актуальные вопросы
науки и техники // Сборник научных
трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. Самара, 2015. С. 13-16
