微型能量采集的无线传感器网络自供电与传输系统

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在过往的很长时间内该系统一直没有被广泛应用的最根本原因就是能量采
集端采集的能量与无线传感器节点稳定工作所需要的能量之间存在着不平衡，简
单些说，就是微型环境能量采集器采集的能量不够用。其中影响无线传感器节点
功耗的因素有很多，具体如图1-2 所示。但是，近年来，随着国际上国内一些机
构的研发，整个无线传感器网络系统中的各个组件的功耗都在显著下降；除此之
外微型能量采集电源集成管理技术也去得了重大的研究进展，这些都使微型环境
能量采集器与无线传感器节点之间的能量收支渐渐趋于匹配。

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从表1-1可以看出凌力尔特的能量采集电源管理芯片覆盖了几乎各种可能的
能量采集源，包括了常用的太阳能、热能和压电能等。除此之外其输入电压的范
围也基本覆盖了各种场景，并且芯片内部往往已经嵌入了最大功率点跟踪等附加
的提高电源管理效率的电路，正是这些因素导致了凌力尔特公司在能量收集市场
上占有了市场领先地位。相比较而言，富士通公司的产品比较单一，主要集中在
太阳能能量收集无线传感器系统中[17]。其在2013年慕尼黑第十二届上海电子展上
推出了一款在微弱光强下也能实现97%转换效率的发电电源管理控制芯片，该芯
片可以从低至0.35V的太阳能电源采集能量。日本的能量采集无线传感器网络市
场上相对较多的产品集中在电源管理芯片上，并没有太多的企业涉足能量采集源
的研究和商业产出，这可能与日本国内突出高附加值产业有关。但整体而言由于
日本是一个能源极其匮乏的国家，其对新能源的利用率在世界范围内都处于领先
水平，因此其在微型能量采集领域也是占据先机，凌力尔特和富士通就是两个典
型。

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德州仪器公司还在降低传感器和微控制器功耗上做了大量的研究，并取得了
丰硕的研究成果。目前业界功耗最低的微控制器就是德州仪器的MSP430系列，
该系列产品已经广泛应用在环境能量采集、个人消费电子产品和工业自动化控制
中。通过利用全球最低功耗微控制器 (MCU) 来降低峰值和平均电流消耗，TI 正
在开启使用传统电池供电系统无法实现的全新应用的大门。MSP430系列微控制
器拥有无需外部器件的电容式触控 I/O 模块，响应速度更快、灵敏度更高并支
持更多按钮的 0.4 纳秒计时器；并可向面向电池供电式应用的提供低功耗 1.8V
工作电压；电容式触控 I/O 需求小于 2KB 的闪存及仅仅 14 字节的 RAM；传
感器可以集成到MSP430系列电路图的PCB中[39,40]。
在超低功耗无线射频收发模块上，德州仪器推出了的CC2500系列产品，这
是一款2.4GHz高性能射频收发器，设计旨在用于超低功耗RF应用。CC2500可提
供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评
估(CCA)、链路质量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。CC2500具有极高
的灵敏度、极低的能量消耗和支持多种无线传输调制模式等特点[41]。基于此，目
前市场上CC2500系列产品几乎占据了所有的超低功耗无线射频收发模块市场。

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由1.2.1 章节中可知，国外的能量采集无线传感器网络起步较早，已经从科
学研究阶段过渡到商业生产阶段。本文经过研究，采用了德州仪器产的BQ25504
超低功耗超低电压升压转换芯片作为能量采集芯片，并配合以相应的储能控制电
路实现了从超低环境能量源采集能量的功能。
本文设计的基于BQ25504 超低电压升压转换器的电源管理控制电路主要包
含了如下功能，最大功率点跟踪、DC-DC 升压转换和能量缓冲。

2万 · 2020-7-26 21:04

如图3-3 所示，基于微型环境能量采集的能量自供给无线传感器系统的能量
采集和管理电路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001 和超级电容器以
及它们相应的外围电路构成。超低电压升压转换和管理芯片BQ25504，低功耗
多功能电压比较器MIC841N 和线性稳压输出芯片TPS78001 一起构成了微型环
境能量采集器供给的无线传感器网络节点的温差能量采集和管理使用的多重功
能。为了更好的阐述三个芯片以及其相关外围电路的功能，本文将上图的电路按
照芯片不同分为A、B、C 三个部分，每个部分电路对应一个芯片及其外围电路。
下面分别对A、B、C 三个电路模块进行详细设计。

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微型能量采集的无线传感器网络 自供电与传输系统

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