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