CN101399674A - 由太阳能供电的带gprs模块的汇聚节点系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统。所说的系统，包括太阳能光伏发电系统、汇聚节点和GPRS模块，所说的太阳能光伏发电系统包括太阳能电池板、控制器、蓄电池和DC－DC电压转换模块；太阳能电池板、蓄电池和DC－DC电压转换模块分别与控制器相连，汇聚节点和GPRS模块通过DC－DC电压转换模块与太阳能光伏发电系统相连接。本发明采用太阳能光伏发电系统以后，直接把太阳能转换成电能，这种供电方式使GPRS模块和汇聚节点在野外具有了长期工作的潜力，极大的缓解了无线传感器网络能源受限的问题，并且这种小规模的发电装置运输、安装都比较方便。

Description

由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统。

背景技术

随着具有现代意义的无线传感器网络向天空、海洋、陆地和地下的一体化综合方向发展，可以极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力，它把信息世界与物理世界融合在一起，将像互联网一样改变人们的生活方式。无线传感器网络在国家安全、国民经济等各方面均有着广泛的应用前景。其中，在环境、农业、水文等远距离、大面积监测中的应用是无线传感器网络应用的重要领域。在监测区内，无线传感器网络由大量廉价微型节点(通常携带能量有限的电池)组成，通过无线通信方式形成多跳的自组织网络，协作地感知、采集和处理网络覆盖地区所要探知的信息，然后传送给监控中心。在无线传感器网络远距离数据传输方式中，通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)为远程监控这种间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输提供了一种高效、低成本的途径。用户在线按流量计费，大大降低了系统的营运成本。GPRS所提供Internet的全球性无线接入，使经由GPRS和Intemet的数据传输以及通过GPRS实现的短信传输已越来越普遍(Roger Kalden，Ingo Meirick，andMichael Meyer.Wireless Internet Access Based on GPRS.IEEE Personal Communication，2000.4)。但是目前出产的GPRS模块一般使用锂电池、镍氢电池、或者其他外部直流电源(如交直流电源适配器或USB接口)进行供电(http://www.carboter.com/loading/SIM100_UGD_V1.01.pdf.SIM100(SIM100-E)用户手册V01.01，2003.9)，其中电源适配器供电方式离不开基础设施，也不能在高温潮湿环境下使用；采用USB接口可以和便携式计算机共用电源(但是将便携机长期放置在野外是不可能的)。使用锂电池、镍氢电池虽可以暂时离开基础设施，但需要频繁的充电。这样就影响了无线传感器网络在实际的大面积、远程监测中的应用。

在实际的无线传感器网络监测系统中，一般节点负责将采集数据传给汇聚节点，再由安装了GPRS模块的汇聚节点将数据进行远程传输，但这样就会引起汇聚节点和一般节点之间能量消耗的不均衡。尽管有网络拓扑控制、网络协议等技术进行功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，节省节点的能量来延长整个网络的生存期。但远程数据传输一定是经由汇聚节点发送的，汇聚节点的能耗高于一般节点是一定的，因此有必要给汇聚节点和GPRS模块配备可持续性的供电电源。但目前或者仅有给尚未组网的单个传感器供电的太阳能装置(Yang Wenyu，Liu Jian，Wang Jianyuan，Shen Ming，Wang Xiaofan，Li Ze.The Application of GSM and GPRS Technology in Monitoring System for HVDC System EarthPole.Power System Technology，2006.PowerCon 2006.International Conference on.2006.10：1-5)，或者虽为节点供电，但该节点并未实现数据的远程传输，而将不能在野外长时间放置的便携机作为数据终端(张强，杨涛.用于环境监测的自供电传感器网络.仪表技术与传感器，2008.2)。本专利提出的太阳能供电装置在为GPRS模块供电的同时，也为汇聚节点供电，从而形成一个完整的太阳能单节点远程数据传输供电系统。随着无线传感器网络的应用越来越广泛，对汇聚节点和GPRS模块同时使用太阳能供电的需求也会越来越大。

发明内容

为了解决现有技术通过GPRS进行远程数据传输的无线传感器网络的布置受基础设施的限制，不能够进行大面积的远程监测的问题，本发明提供了由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统，采用太阳能光伏发电系统给GPRS模块和汇聚节点(由单片机和无线收发芯片组成)同时供电。

本发明所采用的技术方案是：

一种由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统，包括太阳能光伏发电系统、汇聚节点和GPRS模块，所说的太阳能光伏发电系统包括太阳能电池板、控制器、蓄电池和DC-DC电压转换模块；太阳能电池板、蓄电池和DC-DC电压转换模块分别与控制器相连，汇聚节点和GPRS模块通过DC-DC电压转换模块与太阳能光伏发电系统相连接。

太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏效应”，将太阳光辐射直接转换为电能。由于太阳能电池板的输出随日照而变化，特别在阴雨天或日照不好时，发出的电能是有限的且输出不稳定，为保证夜间或阴雨天用电的需要，配备蓄电池储能。其中控制器的作用主要是控制整个发电系统的工作状态，并对蓄电池起过充电保护和过放电保护的作用。DC-DC转换模块主要是将控制器的输出转变成负载所需要的电压，给GPRS模块和汇聚节点供电。

无线传感器网络的GPRS模块和汇聚节点采用太阳能光伏发电系统以后，直接把太阳能转换成电能，这种供电方式使GPRS模块和汇聚节点在野外具有了长期工作的潜力，极大的缓解了无线传感器网络能源受限的问题，并且这种小规模的发电装置运输、安装都比较方便。

附图说明

图1 本发明系统各部件连接示意图

图2 由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统结构图；

图3 本发明系统封装后的效果图

其中，1.蓄电池，2.太阳能控制器，3.太阳能电池板，4.DC-DC电压转换模块，5.汇聚节点，6.GPRS模块，7.箱体。

图4 太阳能控制器外形图

其中，41.过放灯，42.充电灯，43.放电灯，44.工作灯，45.太阳能电池板正极接线柱，46.太阳能电池板负极接线柱，47.蓄电池正极接线柱，48.蓄电池负极接线柱，49.负载正极接线柱，40.负载负极接线柱。

图5 12V/(5V/3V)的DC-DC转换模块

其中，51.12V电流输入正极，52.12V电流输入负极，53.12V/5V2ADC-DC转换模块，54.5V输出负极，55.5V输出正极，56.3V输出正极，57.3V输出负极。

图6 LM317T引脚图

图7 LM317T的典型电路

其中，61.电压输入端(V_IN)，62.电压输出端(V_OUT)，63.电压调节端(ADJ)。

图8 太阳能发电装置连接图

具体实施方式

如图1所示，本发明系统由蓄电池1、控制器2、太阳能电池板3、DC-DC电压转换模块4、汇聚节点5和GPRS模块6构成；太阳能电池板3、蓄电池1和DC-DC电压转换模块4分别与控制器2相连，汇聚节点5和GPRS模块6通过DC-DC电压转换模块4与太阳能光伏发电系统相连接。例如汇聚节点(如由ATmega128和CC2420构成的汇聚节点)需要3V40mA的电流，GPRS模块(如SIM100)需要5V2A的电流，就可以采用如图2所示的技术方案。其连接示意图如图1所示，封装后的效果图见图3，其中蓄电池、太阳能控制器、DC-DC电压转换模块、汇聚节点、GPRS模块内置在箱体7中。

其中，太阳能控制器的外型图如图4所示。充电灯42亮表示为充电工作状态；放电灯43亮表示为放电工作状态，熄灭表示为放电关闭；过放灯41闪烁表示为蓄电池电压达到过放电压临界点，闪烁大概12秒后，如果电池电压仍然小于或等于过放电压设定值，自动关闭负载电压，过放灯41长亮。当蓄电池电压再次充到12V时，过放灯41熄灭，放电灯43亮，开始为负载提供电流。系统正常工作时，工作指示灯44闪烁。接线柱的连接情况见表1所示。

表1  太阳能控制器的端子连接说明表

为了给负载提供合适的电压，可根据实际情况在控制器的负载端连接DC-DC转换模块，如将12V转换成3V和5V的电路如图5所示。接线端51和52分别接图4中接线柱49和40，接线端54和55接GPRS模块相应的正负极，接线端56和57分别接汇聚节点相应的正负极，53为12V转5V的电压转换模块。

蓄电池、太阳能电池板、负载的接线顺序为：先接蓄电池(尽可能靠近控制器放置)，再接太阳能电池板、DC-DC转换模块，最后连接负载。其中太阳能控制器的端子连接见表1。此外应采用尽可能粗的导线，2.5A以下可选用国标2.5平方的导线，2.5A以上选用国标4.0平方以上的导线。

为了给GPRS模块和汇聚节点配备太阳能光伏发电装置，首先，确定该套无线传感器网络所应用地点的光照强度和阴雨天情况。其次，确定二者的功率和工作时间。第三、根据前面的两点选择合适的太阳能电池板、控制器和蓄电池，必要的话加DC-DC电压转换模块。

例如，某套无线传感器网络工作在新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市(北纬43.45，东经87.36)。乌鲁木齐地处欧亚大陆腹地，属中温带大陆性干旱气候，阴少晴多，降水少，年平均日照时间为2500-3600小时。1961年到1990年，这50年内的平均降雨日数和日平均日照(小时)见表2。从表2中可以看出，降雨日数最多的是11月(4.3天)，平均最短日照为12月(4.4小时)。GPRS模块每小时工作一次，每次工作时间大概为5分钟，共计每天工作2小时。GPRS模块的日耗功率是20.088W，汇聚节点的日耗功率是0.24W，这样一天总的日耗功率是20.328W。所以该太阳能发电装置按日耗功率20.328W、日平均日照时间4.4小时、如遇连续阴雨天工作5天计算就能够保证全年正常使用。

表2  1961-1990年乌鲁木齐市降雨日数和日平均日照参数表(见香港天文台网站)

^*降雨日表示日降雨量不少于1.0毫米。

太阳能光伏发电装置的具体设计过程如下：

(1)太阳能电池组件功率计算

计算公式如下：

W＝W₀h/t/η_g＝(5×2×2+22×0.004+0.12×2)/(4.4×0.65)＝7.1Wp，

式中：W为太阳能电池组件总功率，W₀为负载功率，h为使用时间，t为峰值日照时数，η_g为光伏发电部分总效率，Wp为太阳能电池组件功率。

从优化系统角度考虑，可配置太阳能电池组件10Wp。

(2)蓄电池容量的计算：

为了使整套网络在全年能够正常工作，蓄电池储备5天的电能。

$C=\frac{W\×h\×T}{V\×{\mathrm{\η}}_q}=\frac{(5\×2\×2+0.004\×22)\×5}{12\×0.75}=11.3\mathrm{Ah}$

式中：C为蓄电池容量，W·h；W为负载日耗电量，W·h；T为连续使用天数，天；V为蓄电池电压，V；η_q为蓄电池DC-DC转换系统总效率。

根据以上的计算，选用12V12Ah的蓄电池。

(3)为了控制整个发电装置，防止蓄电池出现过充和过放的情况，系统必须采用太阳能发电控制器。如前面选用了12V的蓄电池，这里的控制器的输入应尽量选用12V输入的控制器。输出电流应等于或大于负载电流。因此，采用可12V5A的太阳能控制器。其外形图如图4所示。

(4)DC-DC转换模块

为了满足负载的用电需求，可根据实际情况配备相应的DC-DC转换模块。如例中GPRS模块需要5V2A，汇聚节点需要3V40mA的电流，那么就需要两个DC-DC转换电路，其中5V2A采用市场上出售的12V转5V2A的DC-DC转换模块53，也可以自己设计DC-DC转换电路。如汇聚节点需要3V40mA的电源，我们就可以采用LM317T芯片，其最大负载电流可达到1.5A，电压输出范围为1.2V-37V，引脚图如图6所示，典型电路图如图7所示，图6中的引脚为电压输入端(V_IN)61，电压输出端(V_OUT)62，电压调节端(ADJ)63与图7中的引脚一一对应。

在图7中，所需要的输出电压可以根据公式(1)计算得出。

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R_2}{R_1})+I_{\mathrm{ADJ}}{R}_2---\left(1\right)$

其中，V_REF一般取1.25V，由于I_ADJ一般小于100μ A，因此I_ADJR₂一般忽略。如需要3V的电压，如果先设定R₁为680Ω，可通过公式(1)计算得出R₂为1K。

以上所有参数确定好以后就可以购买相应的器材，然后进行安装、测试。其连接图如图8所示。它们的接线顺序为：先接蓄电池(尽可能靠近控制器放置)，再接太阳能电池板、DC-DC转换模块，最后连接负载。

以上是以乌鲁木齐市为例的，如应用于其他地方，我们只需要根据以上计算方法算出相应的参数，购买器材，搭建系统，就能够给GPRS模块和汇聚节点供电了。

Claims (2)

1、一种由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统，其特征在于，包括太阳能光伏发电系统、汇聚节点和GPRS模块，所说的太阳能光伏发电系统包括太阳能电池板、控制器、蓄电池和DC-DC电压转换模块；太阳能电池板、蓄电池和DC-DC电压转换模块分别与控制器相连，汇聚节点和GPRS模块通过DC-DC电压转换模块与太阳能光伏发电系统相连接。

2、如权利要求1所说的由太阳能供电的带GPRS模块的汇聚节点系统，其特征在于，其中控制器是用于控制太阳能光伏发电系统的工作状态，并对蓄电池起过充电保护和过放电保护的作用；DC-DC转换模块是用于将控制器的输出转变成负载所需要的电压，给GPRS模块和汇聚节点供电。

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