蒙仕格
广东技术师范学院，广州，广东。
广州市天河区中山大道293号，mengshige1988@qq.com
摘要：本文设计了一种高效的自然光能量采集自供电6loWPAN无线传感器节点，硬件部分主要采用了德州仪器的能量采集芯片BQ25504和无线片上系统CC2530，软件部分嵌入了Contiki操作系统。通过实验得出，即使在阴天的条件下能量转换效率也能达到80%以上，同时在实验中测得采用星型网络以休眠唤醒的方式工作,节点能够长期的工作永不断电，而采用Mesh网络的方式工作，则节点能够在阳光充足的情况下连续工作4-5个小时。
关键词：自然光,自供电,WSN,能量采集,contiki,6lowpan
1 引言
无线传感器网络节点（WSN）是21世纪十大科技技术之一，它可以应用在军事国防，交通控制，环境监测，建筑物健康监测，工业监测，目标追踪等领域。无线传感器节点通常整合了低功耗的微控制器和无线收发器以及传感器等部件，无线传感器节点的由电池提供能量，这些能量需要供应无线传感器节点工作数月或数年之久，然而由于受体积和电池容量的制约常常达不到应用的需求。
近年一种新的网络—基于IPV6的低功耗个人域网(6loWPAN)，它遵循IEEE 802.15.4-2003标准，使用了6loWPAN的传感器节点增加了许多新的功能，比如路由查找转发，邻居发现，单播多播等，但是却使传感器节点对能耗有了更高的需求。
由于无线传感器节点在使用和布置的特殊性，使得其布线和更换电池变得相当困难和繁琐。当传感器节点的电池能量消耗完毕，节点的生命周期也将宣布结束。为了延长节点的生命周期，无线传感器节点通常会使用能量收集技术，收集外部环境的能量提供给自身使用。
近年有许多文章利用太阳能电池板[2][5]，赛贝克装置[7]，压电陶瓷，或天线[8]来作为无线传感器节点的能量采集装置，但是这些装置的普遍存在输出功率小，利用效率低的问题。例如太阳能电池板在晴天能获得100mW/cm2的功率，而在阴天只能获得大约10mW/cm2的功率[9]。塞贝克（seebeck)装置是一种能够获取温度梯度并将之转换为电能的装置，在温差为5℃时能获得5mW/cm2的功率[9]。振动可以为压电器件所用，压电器件的弯曲或压缩可被转换为电荷，利用一个压电器件我们能获得100uW/cm2的功率。最低功率版本是无线能量，通过天线来收集无线能量，能获得大约100pW/cm2的功率[9]。
2 实现
常见的太能阳光伏发电板，必须要在白天阳光直射下或者光线充足的环境中才有可观的功率输出而在阴天下均不能采集能量，为了应对变幻无常的天气，常常需要大面积的光伏太阳能电池板，才能使传感器节点在尽量短的时间内采集更多的能量。但是这样做这无疑增加了传感器节点的体积和重量，有违于传感器节点轻盈小巧的特点。如果出现长时间的阴雨天气，则传感器节点得不到能量的补给停止工作。
为了克服上面的问题，本人使用了德州仪器的电源管理芯片BQ25504，该芯片非常适合采集微小的功率。太阳能电池板在阴天下其实也有功率输出，但是这种功率太微小了，通常只有10mw/m2的功率，难以驱动一般的充电芯片对电池充电[]。然而BQ25504具有非常低的启动电压330mV，而大部分的太阳能电池板在阴天下都能达到这个电压值以上。
能量自供应的无线传感器节点通常包含以下几个部分，能量源，能量管理模块，能量存储设备，以及无线传感器节点模块如图1所示。
图1 自供电无线传感器节点构成
我们设计的太阳能自供电无线传感器节点要达到以下目标。
l 节点必须在阴天也能采集能源。
l 节点使用IP网络通信。
l 节点能够采集环境的参数（比如温度气压，噪声，空气质量）。
l 节点必须小型化便于布置。
l 节点须引出扩展接口，用于调试以及和其他的传感器链接。
2.1 硬件描述
本节点主要由两部分组成，分别是能量采集模块和无线传感器模块。
能量采集模块如图2所示，这一部分主要使用了德州仪器的BQ25504能量采集芯片。BQ25504是一款微瓦级的能量采集芯片，能够采集10uW以上的输入功率，即当输入源输入功率大于10uW以上时，芯片便能正常启动，并对能量进行存储。因此该芯片特别适合用于采集微功率发电器件的能量，比如小型太阳能电池板，赛贝克装置，压电陶瓷片等。
图2 能量采集管理模块
在本设计中能量采集管理模块主要由，输入源，升压器，电池管理，最大功率点跟踪，以及电能存储装置，稳压器组成，图2所示为能量采集和管理模块的框图。
BQ25504的输入电压为限制为≤3V，可以采用小型的太阳能电池板，温差发电片，压电片，原生电池等作为能量输入源，在本设计中我们选择了一款开路电压为2.7V，短路电流为70mA，尺寸为33mm*58mm*3mm的太阳能电池板，电能储存装置采用200mAh 3.7v的聚合物锂电池，尺寸为33m*20mm*4mm。
在输入电压330mV≤Vin≤1.77mV时BQ25504处于冷启动状态（cold start），冷启动是在输入源功率不足时的升压功能，此时的效率约65%~75%。当输入电压大于1.77V时标准升压器(normal boost)启动，此时效率可以达到80%~95%[3]。
BQ25504包含了电池管理单元，可以通过外部电阻设置电池欠压和过压阀值，以及电池状态指示阀值。在本设计中电池的过压阀值为4.2V，电池欠压阀值为3.3V，电池良好阀值设置为3.5V。电池状态指示用于指示电池状态，该信号引脚可用于控制外部EFT管或者和微控制器的一个引脚连接，微控制器通过判断该引脚来控制无线传感器节点的工作模式。
最大功率点跟踪（MPPT）用于跟踪输入源的最大功率点，最大功率点也可以通过外部电阻进行设置，根据文献[9]太能阳电池板的最大功率点一般设置为70%~80%，而温差发电片的最大功率点一般设置为50%。本文中无线节点采用最大功率点设置为78%。
能量采集管理模块的输出电压范围为3.3v~4.2v，我们通过一个低压差的线性稳压器（TPS78233）提供3.3V的电压给CC2530和传感器使用，TPS78233拥有非常小的下降电压（drop voltage）在输出电流为150mA时下降电压仅为130mV[10]，因此电池电压在3.43V时也依然能为无线传感器模块提供电能。
传感器节点和能量采集模块被封装在一个58*35*10(mm)小型的长方形盒子中，结构如下图3a所示，图3b为传感器节点的PCB设计图
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图3 a无线传感器节点结构，b 传感器节点PCB设计图
在图3 a中的标号分别表示：
1锂电池。
2能量采集管理芯片。
3扩展接口。
4主控芯片。
5天线。
6电路板。
7传感器。
8太阳能电池板。
图4 实物图
图5 展示了自供电无线传感节点模块的主要构成，本无线传感器节点主要由微控制芯片CC2530，BQ25504和BMP180传感器组成。CC2530是一个基于IEEE 802.15.4的片上系统解决方案。集成了增强型8051内核，无线收发器，定时器/计数器，DMA控制器，AES协处理器，随机数发生器，闪存控制器等外部设备，拥有256KB的FLASH，8KB的RAM。CC2530具有极低的功耗，在最低功耗模式下消耗电流为0.2uA。BMP180传感器集成了温度和气压测量的功能，可测量温度的范围-20℃~85℃，气压测量范围300hPa~1100hPa，它通过IIC总线和CC2530微控制器P1.4，P1.5连接。P2.1，P2.2分别连接两个指示灯，用于指示节点的工作状态。
CC2530通过引脚P2.0和BQ25504的BAT_OK信号引脚连接，在本项目中电池状态良好阀值设置为3.5v滞后值为50mV，当电池电压上升到3.55V时BAT_OK引脚输出高电平，反之输出低电平，因此CC2530通过判断该引脚状态调节自身工作模式。当电池电压小于3.5V时，传感器节点进入低功耗休眠状态。
图5 无线传感节点管脚连接
2.2软件描述
为了更好的操作传感器节点，通常传感器节点都嵌入了一些实时操作系统或者协议栈，比如常见的操作系统TinyOS ,ContikiOS,ucLinux，协议栈有Zigbee，smartMAC，SimpleIT等。
本无线传感器节点采用Contiki开源物联网操作系统。 Contiki是一款免费开源的操作系统，Contiki的优最大优势在于它完全遵循6loWPAN，同时实现了大部分的IP协议，嵌入了Contiki系统的设备可以利用目前成熟可靠的IP协议进行通信。
[1]Contiki主要有以下一些特点：
l 支持IETF最新低功耗IPV6个人局域网（6loWPAN）符合802.15.4标准规范。
l 支持多种CPU架构，比如8051,AVR,MSP430,ARM，X86等。
l 提供定制和裁剪的功能，用户可以根据目标板的功能以及需求对系统进行裁剪和定制。
l 提供了完整的IP网络，IPV6/IPV4，ICMPv6，RPL,TCP/IP,在应用层提供了HTTP,COAP等协议。
l 支持多线程并发执行。
l 提供丰富的例子和应用程序。
由于Contiki系统具有可裁剪易移植，支持多CPU架构以及IP网络等优秀特性，可以预见在未来Contiki系统必定大量使用在物联网和传感器网络上。因此本无线传感器节点使用Contiki操作系统管理节点和节点间的通信。
图6为节点的工作流程图，从图6中可以看出，当系统启动并设置好基础数据后，进入循环，在该循环中分别进行电池状态监测，无线数据接收，传感器数据采集，发送数据的过程。在程序中我们设置了一个时间期限（这个时间期限可以是特定的也可以是随机的，后面的实验中我们会讲到），当时间到期，采集传感器数据并通过UDP协议发送出去，另一方面当接收到其他节点发来的数据包时，通过串口打印出来，其他时间传感器节点处于闲置状态或休眠模式。值得注意的是当节点处于休眠模式时是不会接收外部的数据包的.
图6 节点工作流程图
Contiki源码目录主要有core,platform,cpu,examples,apps,等目录，其中core为Contiki系统内核目录，包含了实现Contiki系统内核及网络协议的各种源文件和头文件等。platform系统支持的平台源文件和头文件，每个平台有各自的文件夹，包含各自的main文件。cpu目录包含各种CPU架构的定义文件，examples包含多种网络通信的例子和各种平台的使用例子。apps包含一些应用程序比如ftp,telnet,webserver等。
我们为本节点建立了一个新的平台命名为airmote,我们的平台使用cc2530，因此可以模仿CC2530DK平台来搭建自己的平台。在airmote平台的dev目录下，增加了bmp180驱动，(bmp180.c，bmp180.h)，修改platform下的model.h文件的定义led引脚,在cpu目录下增加了针对airmote平台的Makefile。同时配置P0.1接口用于ADC和P2.0口中断分别用于检测电池电压和电池状态。
3 实验评估
为了监控节点在运行过程中电池电压的变化情况，在测试实验中我们增加了电池电压检测功能，电路连接如图7所示。
3.1充电测试
测试地点为中国南方广州市时间为12月份。由于天气光线的变化大，因此分别选择阴天和晴天的早中晚三个时段进行测试。主要测试节点在光线最弱和最强时候的充电功率和效率。
为电池充电电流， 为电池充电电压， 为太阳能输入电流，太阳能电池板输入电压，L为光照强度。充电测试数据如下表1和表2所示。分别对阴天和晴天进行测试，。充电效率计算公式由下式表示
(1)
式1中 表示充电功率，表示太阳能板输入功率。
表一 阴天充电测试
|
时间 |
Ic（mA） |
Ii(mA) |
Vc(V) |
Vi(V) |
Lumen(lux) |
Pin(mW) |
Pcharge(mW) |
η (%) |
|
7:30 |
0.48 |
1.29 |
3.85 |
1.62 |
1970 |
2.090 |
1.848 |
88.4 |
|
13:00 |
3.07 |
6.45 |
3.87 |
1.95 |
8110 |
12.577 |
11.881 |
94.5 |
|
17:00 |
0.024 |
0.13 |
3.87 |
1.09 |
310 |
0.142 |
0.093 |
65.5 |
表二 晴天充电测试
|
时间 |
Ic（mA） |
Ii(mA) |
Vc(V) |
Vi(V) |
Lumen(lux) |
Pin(mW) |
Pcharge(mW) |
η(%) |
|
7:30 |
0.71 |
1.9 |
3.87 |
1.65 |
2770 |
3.12 |
2.75 |
88% |
|
13:00 |
23.1 |
47.7 |
3.92 |
2.25 |
41000 |
107.3 |
90.55 |
84% |
|
17:00 |
0.16 |
0.62 |
3.94 |
1.42 |
1090 |
0.89 |
0.63 |
70% |
从表一和表二中可以看出在阴天的情况下充电电流在24uA~3.07mA，在晴天的情况下电流在0.16mA~23.1mA之间变化，而且不管是阴天还是晴天效率均达到65%以上
3.2 续航测试
无线传感器节点的续航测试主要通过测试节点的电池电压，通过图7所示的电路检测电池电压情况，cc2530通过P0.1引脚检测分压电阻R2的电压（约为Vbat/3，Vbat为电池电压)。
图7 监测电池电压
无线传感节点续航测试使用两种测试方案，一种是传感器节点周期向网关节点发送数据，比如间隔60s发送一次数据，其余时间节点处于休眠状态。另一种方案是采用随机时间发送间隔，节点随机的向网关节点发送数据。前者的多见于一种星型网络中，以网关为中心，无线传感节点只要发送完自身的数据便能关闭无线收发器，CPU内核以及外围设备。因此这种方案能耗非常低。而后者更类似于一种mesh网络，该网络中的节点发送的数据具有随机性，节点本身除了采集数据外还具有路由转发功能，因此CC2530的无线电收发器随时处于待命的状态，以至于随时转发邻居节点的数据包，或发送自身的数据包，后者的能耗更高而且不易计算能耗。
表三 节点的功耗。
|
模式 |
平均工作电流 |
电压 |
功率 |
|
活动模式 |
26.2mA |
3.3v |
79mW |
|
休眠模式 |
0.2mA |
3.3v |
0.66mW |
采用第一种测试方案，我们布置了两个节点，一个作为发送一个作为接收，接收节点通过串口和计算机连接，我们通过串口的数据来监测发送节点的电池电压情况。发送节点使用UDP协议，每隔1分钟发送一次数据，其余时间处于休眠状态，休眠时设置CC2530为PM2模式。经过三天的测试，这三天均为阴天我们得出如下数据图表，如图8所示，
图8 方案一测试
从图8可以看出，电池电压变化范围在0.8V左右，电压的变动是由于夜晚没有光照的原因，而在白天基本上能达到动态平衡，采用这种方式能使节点持续的运行，但是这种采用休眠方式的节点必须关闭大部分的外部设备包括无线电收发器，才能达到如此低功耗的状态。这样一来有许多的IP协议无法实现，如邻居发现路由查找，数据包转发等功能无法实现。
图9 方案二测试
方案二的测试结果如图9所示，在方案二我们设置了2个节点嵌入相同的程序使用UDP协议以广播的方式发送数据，其中一个节点通过串口和计算机连接，节点间采用30秒内的随机发送间隔，节点的平均电流为26mA，由于节点的无线电收发器一直处于活动状态，因此能实现大部分的Contiki网络功能，比如转发数据包，邻居发现，路由查找等是一种真正意义上6loWPAN节点。但是这种节点却需要较高的功耗。
在方案二的三天测试中均为晴天，在第一天的测试开始时节点的电池处于饱和状态，在9点到16点这段时间由于光线充足节点能达到一个基本的动态平衡，在其余时间段节点的电压是下降的，这是由于天气光线的变化和太阳能电池板的输入功率决定的，在夜晚21点后电池电压下降到3.5V以下，传感器节点进入休眠状态，直到第二天电池电压达到3.55V以上时，传感器节点再次启动。在第二和第三天测试中均为晴天，可以看出节点在白天光线充足的时段有4-5个小时的活动时间。可以满足一般的应用需求。
4 总结
本文实现了一种使用能量采集技术的自然光自供电无线传感器节点，主要用于采集传感器节点周围的自然光的能量，本节点的能量采集效率非常高，最高能达到94%，大部分时间能达到80%以上，在阴天下也能采集能量，大大延长了传感器节点的生命周期。本传感器在硬件和软件上均采用了先进的技术，在硬件上采用了高效升压并具有最大功率点跟踪功能的（MPPT）BQ25504芯片，在软件上使用了基于事件驱动型并整合了IP协议的Contiki系统，这些特点结合，组成了一种新型的6LOWPAN传感节点。经过测试我们得出，若节点以休眠唤醒方式工作在星型网络中，它能够持续不断的工作直到节点损坏为止。若以mesh网络的方式工作，它在光线充足的情况下能连续工作若干个小时，这种方式可以通过一些改进措施来提高节点的工作时间，比如增大太阳能板的面积，优化无线电收发器的工作机制，优化进程管理机制等方式。
5 参考文献
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