基于太阳能的低功耗无线传感器能量装置

基于太阳能的低功耗无线传感器能量装置

许世清孙建中王大东姚伟

(南阳供电公司，河南南阳473001)

喃要]伴随着无线传感网络的飞速发展及应用，为其终端装置提供电能的电池慢慢地暴露出了一系列不足。分析和对比了电池和超级电容的优钝占’，设计了用太阳能电池发电÷超级电容储能为低功耗无线传感器供能的装置。经测试，该能量供应装置能够满迁循功耗无线传感

器正常工作的要求，是可靠的、环保的、高效的无源能量装置。饫i键词]低功耗；无线传感器；太阳能电池；超级电容

目前无线传感网络广泛应用的有ZigBee和Wi—Fi技术，他们共

同的特点就是低功耗，通过电池供电工作。目前常用的有碱电池、锂电

池等化学储蓄电池但这些电池存在的隐患很多，并且在恶略的环境中

这些电池的性能都存在着缺陷，满足不了节点需要长期稳定的工作要求。本文试介绍一种基于太阳能电能供应装置，它是以超级电容为存储器，以太阳能电池为电能来源。该能量供应装置有工作效率高、安全隐

患小、环保、等优点，是未来低功耗无线传感器能量供应装置发展的趋

势。

1常用电池的优缺点

自前常用的有碱电池、锂电池等化学储蓄电池。按工作的性质划分

电池包括：一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池；二次电池。即可充电电池。

1)污染环境，危害人类身体健康。废旧电池中含有重金属镍、铅、汞、锌、镉、锰等，其中镉、铅、汞是对人体和大自然危害较大的物

质。

2)受环境温度的影响大。在常温(250CJ下可正常动作，一2护C时，司刚用的据估计大约还有60％的电力。—般电池适用温度

范围是一2泸C～6护Co

3)自身存在的缺陷。—般的电池自放电率为20％。—般而言，电池储存温度越低，自放电率也越低。对二次电池而言，循环使用次数少，并且这些二次电池的充电电路复杂，充电时间长。环境温度低于一2酽C的寒冷地区，电池可用能量大幅度减少的同时对电池充电也j#

常困难。

2超级电容技术简介

21

超级电容储能原理

’，

超级电容又叫双电层电容器，是一种电化学元件，但在其储能的过

程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板E加电，正极

板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个剖生存

储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近o22超级电容的充放电狰睦

作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉。超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，

甚至短路也不是致命的。超级电容器的时间常数T在1—2s，完全给阻一容式电路放电大约需要5T，也就是说如果短路放电大约需要

5—10so

23超级电容的张点

超级电容在储能方便比起电池七I芒越的特点：

1)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；

2)循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1—50万次；3)充放电线路简单目速度快，无需充电电池那样复杂的充电电路，安全系高，长期使用免维护；

4)温度范围宽，超级电容器可以在一45—105℃的温度范围内正

常工作：自放电比辎氐o

5)超级电容可以焊接到板子上，不会因时间过久而出现接触不良

现象o

24超级电容的性能参数

超级电容的可利用容量或有效容量为：

}争【1，(芒)2】

阳)

3基于太阳能的低功耗无线传感节点能量供应系统装置

3．1系统设计的方案及构成

该供电系统装置电路如图1所示：

图1系统装置电路图

在该能量供应装置中，利用太阳能电池板产生的电能给负载供电的同时给超级电容充电，选择了保护二极管型号为SSl4，压降为03V。

超级电容为30Fo

在本系统中用选用的是单晶硅太阳能电池板，开路电压为3V，短

路电流为100mAo太阳能开路电压在超级电容的安全范围之内。一般光照下，太阳能电池的负载电流约为50mA，大太阳下负载电流约为

80m氏该实验装置中负载是带有CC2430核心芯片的ZigBee无线温

度传感器。温度传感器用的是TC77数字温度传感器。

32供电系统．装置测试结果及分析

针对该系统装置在不同强度的光照下和不同的供电方式下进行了

测试。

?

在光照下，在给超级电容充电，电压稳定的情况下可达到约3Vo

不同光照下的充电情况如表1所示。

超级电容充电时阃表

斋方i卜滞q寸问冶～

孙晴天

多云

阴天

无负载／绕v

O．3O．52带负载／g勺3VO．6l5负载启动／约l-8v

O．2

O．3

l

如表所示：1)无负载的情况下，阴天无太阳时大约需要2个小时

可将超级电容充到29V左右。夜晚在白炽灯的照射下可将超级电容从

OV充到25V左右，太阳能电池板与白炽灯距离约为5cm：2)带负载

情况下，在多云天气时，充电约30分钟时达到1BV，此时，节点启动

并工作。

经测试，在超级电容充满电的情况下电压约为3V，单独给从Zjg—

Bee节点供电，据统计，ZigBee节点共发送数据脉；中4155次，超级电容电压到1．76V时截止数据发i黾

由实验结果可知：本电源系统装置可在不同的天气状况下超级电容

的充电是可靠的，同时对ZigBee节点的供电也是可靠的。如果设置每

1

0秒发送一次，节点可工作”个小时，设置半分钟发送一次工作

时间可达30个小时。实现药gBee节点工作的连续(下转第261页)

应用科技

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3结语

AJAX技术及在ASP．NE丁上的应用，已被用在当前大量的项目开发中，正受到广大程序员的青睬。它可以把以前一些服务器负担的工作转嫁到客户端，利用客户端闲置的能力来处理，减轻服务器和带宽的负担，节约空间和宽带租用成本。并且减轻服务器的负担，aja×的原则是

232服务器端实现

处理页面AJAXSe～er．aspx时，注意该页面是×MLHttpRe—

auest提交请求的服务器URL，其任务是读取客户端传来的两个参数。

利用ADO．NET访问数据库，读取数据，生成XML网络流返回给客户端。×ML文件格式如下：

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毽}需取数据”，可以最大程度的减少冗余请求，和响应对服务器造成的负担。这些优势正适合中小学校教育信息化应用软件系统。AJA×的应

用必定给产品或项目带来更多更丰富的性能和用户的体验，使产品或项目更具竞争力。

武进区<，c耐>漂阳市<／c时>金坛市<，cjty>

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作者简介：蔡伟宏，中学一级教师，本科，毕业于苏州大学物理系，研究方向为教育装备与信息化。

程序具体实现代码如下：

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‘【参考文献]

11】苏珏，曾贤蓖蓝天．AJAx技术在wcb2．o中的应用研究U】．电脑编程技巧

与维护，2008．

Response．Write(GetCity×MLStrJngO)：

ResDonse．EndO：

f2】吕林涛，万经华，局红芳基于^弘x的w曲无刷新页面快速更新数据方法

lI】计算机磁用研究，2006．

(上接第255页)

可靠的工作是绰绰有余的。实验证明，该能量供应装置能够满足户外低功耗无线传感器节点的正常工作。

4结论

是一种绿色的环保的高效的电源装置，是来利氏功耗无线传感器能置供

应装置发展的趋势。

作者简介：许世清，1971年生，男，河南南阳，高级工程师，从事电力系统自动化技术及电力设备运行管理工作；孙建中，男，河南南阳，工程师，从事电力生产管理工作；王大东，男，河南南阳，技师，从事变电运行工作；姚纬，男，河南南阳，技师，从事变电运行工作。[参考文献】

【1】朱磊，吴伯荣，陈晖等超级电容嚣研究及其应用Ⅱ1稀有金属，2003．

通过对以太阳能电池为发电器件，以超级电容为储能器件来代替

传统电池为低功耗无线传感器供电的能量供应装置的实际测试数据的分

析，得出了该能量供应装置能够满足无线传感器节点的工作要求。

但超级电容也有其缺点，它不能使用在温度骤升骤降的环境中，

在该供电装置中，超级电容里的电能只能利用其中的一部分，在电压降

至1．75V以下时就不能工作了。根

公式(2—1)，如果在电容和负载

之间加个升压装置，则超级电容的工作截止电压大大降低。

实际试验表明，利用太阳能电池发电、超级电容储能的电源装置，

12】宋文，王兵周应宾等．无线传感器网络技术与应用【MJ北京：电子工业出

版粒，2007．