基于太阳能供电的无线传感器节点设计-毕业论文.doc

摘要基于太阳能供电的无线传感器节点设计 摘要随着国家科技兴农的政策提出，农业信息科技管理越来越受到社会的关注，而随着现代化农业、无线通信技术、计算机嵌入式技术等现代科技的发展，对农业生长环境的无线监测研究得到了越来越多人的重视。新型ZigBee技术作为一种新型的近距离、低功耗、低复杂度、低速率、低成本无线通信技术在各个领域具有广泛的应用，尤其在农业生长环境监测方面得到广泛应用。本课题依托江西省青年科学基金资助项目，采用TI公司CC2530芯片，设计一种基于太阳能供电的ZigBee的WSN节点。本课题系统分的析了基于ZigBee的WSN节点中各部分能量的消耗，并考虑了因其覆盖面积广、节点数量较多、节点寿命变短等特性，提出了基于太阳能供电的ZigBee的WSN节点设计方案。本论文主要由以下几部分工作组成：(1) 以CC2530为核心设计制作无线传感器节点射频板硬件电路，并在此基础上加入前段功率放大芯片CC2591从而制作第二版无线传感器节点电路板；(2) 以CN3063为电源管理芯片、CN301为电压检测芯片设计制作太阳能硬件供电路,使得输出电压为3.3V，从而保证无线传感器节点能够室外自主供电；(3) 使用第一版和第二版无线传感器节点为处理核心，采用SHT10和TSL2561作为温度和光照强度传感器，实现对温湿度和光照强度的监测和数据的无线传输；(4) 对两个版本的无线传感器节点底板和射频板进行功耗测试与分析。测试结果表明，太阳能电路板可提供3.3V稳定电源，WSN节点之间可以进行通信，其功耗很低、传输距离较好。整个系统工作稳定，可达到预期效果。关键词：太阳能；CC2530；CC2591；功耗分析I目录 The design of wireless sensor node based on solar power supply AbstractAlong with the national science and technology policy,the agricultural information and technology management are more and more attractive to the society，and with the development of modern agriculture, the wireless communication technology, embedded computer technology, modern science and technology, the wireless monitoring study on agricultural growth environment has been gain more and more peoples attention. Model ZigBee is a new short-range, low-power, low complexity, low rate, low cost wireless communication technology has been widely applied in various fields, especially widely used in agricultural growth and environmental monitoring.This research is based on the project of Jiangxi Province Youth Science Fund, using TIs CC2530 chip, designed a WSN node based on solar powered of ZigBee. the subject systems analysis of each part is base on the energy consumption of ZigBee in the WSN node , and considering its wide coverage, node number, the shorter life of the node and other characteristics, proposed the WSN design scheme of solar power supply based on ZigBee.This thesis is mainly composed of the following parts:(1) with CC2530 as the core design of wireless sensor node hardware circuit of RF board, and on this basis to join a power amplifier chip CC2591 which produced second version of wireless sensor node circuit board;(2) Taking CN3063 as the power management chip, CN301 as the voltage detecting chip to design hardware circuit for solar energy, so that the output voltage is 3.3V, so as to ensure that the wireless sensor nodes can outdoor autonomous power supply; (3) The use of the first edition and the second edition of the wireless sensor nodes as the core, using SHT10 and TSL2561 as temperature and light intensity sensor, wireless transmission of temperature and humidity and illumination monitoring and data intensity; (4) Test and analysis of power consumption of two versions of the wireless sensor node plate and the RF board. The test results show that, the solar energy board can provide 3.3V power supply stability, WSN nodes can communicate with others, its power consumption is very low, the transmission distance is better. The entire system is stable, can achieve the desired effect. Keywords: solar energy；CC2530；CC2591；power analysisV目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景与选题意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外基本研究情况21.3 论文的主要研究内容4第二章 基础知识介绍52.1 WSN节点介绍52.1.1 WSN介绍52.1.2 传感器网络节点介绍72.2 太阳能供电技术122.2.1 阐述充电控制芯片CN3063122.2.2 阐述电压检测芯片 CN301132.3 本章小结14第三章 方案设计153.1 太阳能供电的方案设计153.1.1 锂电池的选择153.1.2 太阳能主电路选择163.2 一代无线传感器节点方案的选择163.3 二代无线传感器节点方案设计183.4 本章小结18第四章 WSN节点的硬件架构设计194.1 太阳能供电电路的硬件设计194.1.1 太阳能充电电路194.1.2 放电电路设计204.1.3 电压转换电路214.2 无线传感器节点硬件电路设计214.2.1 一代WSN节点硬件设计214.2.2 二代WSN节点硬件电路设计234.3 本章小结24第五章 WSN节点的软件设计255.1 温湿度采集系统的软件设计265.2 光照强度采集系统的软件设计285.3 本章小结29第六章 调试与测试306.1 WSN节点调试306.1.1 单个节点调试306.2.2 多节点间的测试326.2 功耗的测试与分析326.2.1 功耗的测试336.2.2 功耗的分析346.3 太阳能供电调试34第七章 总结与展望357.1 总结357.2 展望35参考文献36致谢37附录A 外文翻译-原文部分38附录B 外文翻译-译文部分44附录C 电路原理图和PCB图48附录D 主要程序源代码52龙亮：基于太阳能供电的无线传感器节点设计第一章 绪论1.1 研究背景与选题意义太阳能是一种一次性利用能源，同样也是一种可再生能源。它资源丰富，可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。21世纪以来，随着新材料和电子技术的高速发展，太阳能发电慢慢的出现在了广大人们的视野并得到迅猛发展。太阳能发电是将太阳辐射收集与转换为电能的一个过程。其供电技术是近代出现的一种新型能源利用技术，利用到了太阳能普遍性、无害性、长久性等特点。它是对太阳能利用的最好方法太阳能供电系统在现代具有比较大的应用空间，这主要是取决了太阳能发电系统的特点。太阳能发电系统具有长寿命、高性能、无需值守、无间断供电、不受地理环境影响等特点。目前对于太阳能发电的方法有两种；一种是将太阳能转换为热能，在利用热能发电，称之为太阳能热发电；另一种是通过光电器件将太阳能直接转化为电能，称之为太阳能光伏发电22。其中太阳能光伏发电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成，可以根据需要选择合适的太阳能电池板从而输出自己所需的电压，如输出电源为交流220V或110V。太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。2004年世界太阳能发电总量达到964.9MW，2006年底达到4961.69MW。已经实现商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光点hi、带状硅电池等几类。目前光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电的80%，专家预测，到2100年，太阳能发电量将占总发电量的64%。在国内，目前对于光伏发电的研究少，10多年来，国内光伏发电也长期维持了全球市场的1%左右，并且大都是高电压发电。对于太阳能供电系统的研究比较多，但是大都是提供高电压的，小电压供电的研究比较少。现代农业是以广泛利用现代科技为标志的农业。相对传统农业来讲，现代农业利用到了现代科学技术、现代工业提供的生产资料和科学管理方法。随着科技的发展，现代农业中需要应用到科技的地方越来越多。在果农类的种植当中，农作物生长环境的如何对于果农的生长有着较大的影响，为此，可以对农作物的生长环境进行实时的跟踪监测，进而针对相关的状态对其环境进行适当的调控。目前可以实现无线数据传输的有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi无线USB等，这几种技术竞争激烈，各有千秋。但是随着通讯设备的复杂度、功耗以及系统成本的增加，ZigBee1凭借其近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等诸多优势在竞争中脱颖而出。ZigBee是在IEEE 802.15.4基础上建立的通信标准，目前国外对于ZigBee技术的研究的公司比较多，如Chipcon、Freescale、Ember、RAadioPulse、OKI、TI等，这些公司都纷纷推出了ZigBee解决方案。但是国内对于ZigBee的研究比较浅显，一般都是少数几家公司，而且大都是引进外国的技术。ZigBee的核心芯片是CC2530。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能，为ZigBee无线网络的实现提供了坚实的底层硬件基础。因此利用ZigBee技术对果农的生长环境进行监测，可以让果农有较好的生长环境，使其生长良好。现在真正应用于果农墒情检测的ZigBee技术还没有普及，主要是因为目前的无线传感节点传输距离还不是很远，并且没有实际研发出一款可以野外自主供电而不需要认为去更换电源的无线传感器节点。综上所述，设计一款基于太阳能供电的无线传感器节点，用以实现野外环境下无线传感器节点对果农生长环境的自主检测，且能实现自主供电。研制此款无线传感器节点，功能消耗相对较低，无污染，相应国家倡导的节能计划，。1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状目前国内对于ZigBee技术的研究比较多，很多单位已经开始对ZigBee进行技术开发。但是大都是从事ZigBee家庭网关的开发，也有部分城镇利用ZigBee读取水电表资料或者利用ZigBee进行工控和医疗的无线接入。但是ZigBee是一门新型的综合科学技术。在硬件方面ZigBee是利用了系统集成技术，其核心芯片CC2530是集成度非常高的芯片，并且体积很小，因此就外形而言对其的开发难度较大。而在软件开发方面，ZigBee需要将网络传输、射频技术、底层软硬件控制技术融合在一起才能对其进行开发利用，因此对于这门技术的开发比较困难。并且ZigBee技术来自国外，国内对其有丰富开发经验的队伍比较少，这就导致了国内对于这门技术的开发困难重重。因此到目前为止，国内目前除了少数几家公司外，有关ZigBee开发的公司还很少；但是ZigBee技术实际意义很大，因此国内许多公司对于ZigBee各系列的使用开发重视程度愈来愈高，并且各大高校如苏州大学、浙江大学、东南大学以及公司相继加入到了ZigBee的开发行列中。1.2.2 国外基本研究情况 2000年12月IEEE 成立了IEEE802.15.4 工作组，形成了IEEE802.15.4 标准，此正是ZigBee的基础。2002年8月，ZigBee联盟成立，由英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，ZigBee技术结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。 在IEEE802.15.4 中，总共分配了27个具有三种速度的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915MHz频段有10个40kb/s的信道，在868MHz频段有1个20kb/s的信道其中2.4GHz是全球通用的ISM 频段，915MHz是北美ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段。 ZigBee联盟对IEEE802.15.4 标准网络层协议和API进行了标准化，制定了基IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4 的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。 现如今韩国第三大移动手持设备制造商Curitel Communications公司已经研制成世界上第一款ZigBee手机，该手机可通过无线通信方式将家中或是办公室内的PC、家用设备和电动开关建立连接。这种手机融入了ZigBee技术，可使手机用户在短距离内操作电动开关和控制其他电子设备。由此可知，对ZigBee开发具有较大的意义。如今国内对于ZigBee的研究相对国外来讲还较浅薄，且总体功耗偏大，由此可见设计一款基于太阳能的无线传感器节点比较有意义：一能有效利用太阳能而不需要使用外置电源从而造成环境的浪费和资源的污染；二能在无人照看的情况下实现对果农生长环境或者其他需要检测环境的检测，从而可以调控农作物等生长环境让其有最佳的生长状态。3龙亮：基于太阳能供电的无线传感器节点设计1.3 论文的主要研究内容本课题研究并设计了一款基于太阳能供电的无线传感器节点。主要内容包括了太阳能供电电路设计与制作、无线传感器节点的设计与制作和温湿度和光照强度的检测。其中太阳能供电系统提供传感器节点的工作电压，传感器将采集的数据传输至节点射频板，节点射频板收到数据后通过射频天线将数据发送到协调器。主要任务安排如下：(1) 第一章介绍课题的研究背景，并对WSN和太阳能供电的国内国外研究现状做相关了解，(2) 第二章对相关的知识点进行介绍，包括WSN、WSN节点和太阳能供电技术；(3) 第三章主要是讲述了整体方案的选择，包括了太阳能供电技术中锂电池和太阳能主电路的选择，也表述了一代无线传感器和二代无线传感器中核心芯片、射频前端功率放大芯片和传感器中各个模块的选择；(4) 第四章第五章非别介绍了整个课题中软件和硬件的设计。使用CC2530为传感器节点的核心处理芯片，使用SHT10和TSL2561作为温湿度传感器和光照强度传感器，并使用如韵电子的CN3063和CN301作为电池管理芯片和电压检测芯片。整个课题的软件设计建立在TI提供的协议栈上，对其进行相应的更改。(5) 第六第七章则对实物进行调试和相应的测试，最后对整个毕设做一些总结和后期展望。第二章 基础知识介绍2.1 WSN节点介绍WSN（WSN）3是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观测者。WSN中按照功能分为传感器节点，协调器和路由器。其中传感器节点负责采集和发送数据，协调器则收集由传感器节点发送的数据，路由负责数据的发送路径。2.1.1 WSN介绍WSN系统通常包括传感器节点（sensor）、汇聚节点（sink node）和网关节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。组成传感器网络系统的技术有许多，其中一种应用较广的就是ZigBee技术。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它通信的基础是IEEE802.15.4 协议。对ZigBee的开发需要用到ZigBee协议栈，ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。ZigBeed的通信比较灵活，它能在数个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee在ISM频段定义了两个工作频段，即2.4GHz频段和868/915MHz频段。其中2.4GHz是全球通用的ISM频段，915MHz是北美的ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段。我国采用的是2.4GHz频段，是全球通用的免付款、免申请的ISM频段。其速率为250kb/s。ZigBee的每个网络节点之间的标准传输距离为75m，在增加RF发射功率后，可以增加到一至三公里。ZigBee的主要技术特点包括以下几个方面： (1) 省电。两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。(2) 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，节点模块之间具有自动动态组网的功 能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。(3) 时延短。针对实验敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延非常短，一般从睡眠转入工作状态只需要15ms，节点连接进入网络只需要30ms,从而进一步节省电能相比之下，蓝牙需要310s、Wi-Fi需要3s。(4) 网络容量大。可支持达65000个节点。 (5) .安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用AES-128。 (6) 高保密性。采用64位出厂编号并支持AES-128加密。(7) 低速率。ZigBee工作在250kb/s通信速率，可满足低速率传输数据的应用要求。(8) 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求。按预测分析，以8051的8位微控器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点则至少4KB代码，而且ZigBee免收协议专利费。(9) 近距离。ZigBee节点间的传输距离一般为10100m之间，在增加RF发射功率后，可增加到13km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 综上所述，ZigBee技术的优势主要在于技术成本低，功耗低，通信频段多，无通讯费用。对于粮仓内这种小范围的环境非常适合，故本设计采用ZigBee技术。下表列举了这几种常见无线传输方式的主要性能比较，如表2-1所示。表2-1 几种常见无线传输方式的主要性能比较 项目Bluetooth(802.15.1)Wi-Fi(802.11b)ZigBee(802.15.4)系统花费极大 大 小 电池寿命较短 短最长网络节点数7 30255/65000+有效物理范围 10m 100m1100+数据传输率1Mbps 11 Mbps 20/250kbps传输介质 2.4GHz射频2.4GHz射频2.4GHz射频2.1.2 传感器网络节点介绍ZigBeeWSN包括无线传感器节点，协调器和路由器。传感器节点将采集的环境参数可直接发送至协调器，也可通过路由发送至协调器。其中协调器，传感器和路由的射频板都是一样的，都是采用TI公司生产的片上系统解决方案CC2530。如今市场上ZigBee的射频板主要有两种，一种是只有核心处理芯片CC2530的一代射频板,这种射频板主要有核心处理模块、晶振电路模块和天线匹配模块组成。而另一种是在射频前端加入了一个功率放大芯片CC2591,其余模块则和一代射频板类似。下面对其进行相对应的介绍；(1) CC2530介绍无线网络传感器节点的核心CPU是TI公司出产的片上解决方案CC2530，它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM的许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本；CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功率要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合了德仪的ZigBee协议栈（Z-Stack），提供了一个恶强大和完整的ZigBee解决方案。CC2530F64结合了德仪的RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。CC2530芯片引脚描述如表2-3，封装图顶视图如下2-2所示：图2-2 CC2530封装顶视图注意：暴露的接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面，因为这是芯片的接地连接点。表2-3 CC2530引脚描述引脚名称 引脚 引脚类型描述AVDD128 电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接 AVDD227 电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接 AVDD324 电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接 AVDD429 电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接AVDD521 电源（模拟）2V-3.6V模拟电源连接 AVDD6 31 电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接DCOUPL 40 电源（数字）1.8V数字电源去耦。不使用外部电路供应。DVDD139 电源（数字） 2V-3.6V数字电源连接DVDD210 电源（数字）2V-3.6V数字电源连接GND- 接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。 GND1,2,3,4 未使用的引脚连接到GND P0_0 19 数字I/O端口0.0 P0_1 18 数字I/O端口0.1 P0_2 17 数字I/O端口0.2 P0_3 16数字I/O 端口0.3P0_4 15 数字I/O 端口0.4 P0_5 14数字I/O端口0.5 P0_613数字I/O端口0.6 P0_7 12 数字I/O 端口0.7 P1_0 11数字I/O端口1.020mA驱动能力 P1_1 9 数字I/O 端口1.120mA驱动能力 P1_28 数字I/O 端口1.2 P1_3 7 数字I/O 端口1.3 P1_4 6 数字I/O端口1.4 P1_55 数字I/O端口1.5 P1_6 38 数字I/O端口1.6 P1_737 数字I/O 端口1.7 引脚名称 引脚 引脚类型描述P2_0 36 数字I/O 端口2.0P2_135数字I/O端口2.1 P2_234 数字I/O端口2.2 P2_333 数字I/O端口2.3/32.768kHz XOSC P2_4 32 数字I/O 端口2.4/32.768kHz XOSCRBIAS 30 模拟I/O 参考电流的外部精密偏置电阻RESET_N 20 数字输入复位， 活动到低电平 RF_N26 RFI/O RX期间负RF输入信号到LNA RF_P25RF I/O RX期间正RF输入信号到LNA XOSC_Q122模拟I/O 32MHz晶振引脚1或外部时钟输入XOSC_Q223 模拟I/O32MHz晶振引脚2 表2-3 CC2530引脚描述CC2530的操作只需要极少的外部元件，下图2-4是典型的应用电路，外部元件的典型值则如表2-5 ；图2-4 CC2530典型应用电路表2-5 外部元件概述元件描述值C251RF网络匹配部分18pfC261RF网络匹配部分18pfL252RF网络匹配部分2nhL261RF网络匹配部分2nhC262RF网络匹配部分1pfC252RF网络匹配部分1pfC253RF网络匹配部分2.2pfC33132K负载电容15pfC32132K负载电容15pfC23132M负载电容27pfC22132M负载电容27pfC401 内部数字稳压器的去耦电容1ufC301用于内部偏置的电容56K(2) CC2591介绍CC2591是一种具有成本效益和高性能RF前端低功耗和低电压2.4GHz的无线应用，它提供了链路预算功率放大器输出功率增加，以及LNA与改善接收机噪声系数低灵敏度，包含了功率放大器，LNA，开关，RF匹配和巴伦的高性能设计简单无线应用。CC2591可用于所有的2.4GHz的ISM频带系统、WSN、无线工业系统、IEEE820.15.4 的ZigBee系统、无线消费系统以及无线音频系统。CC2591芯片引脚描述如表2-7，顶视封装图如图2-6所示：图2-6 CC2591芯片顶视封装图表2-7 CC2591引脚的描述引脚名称引脚 引脚类型描述GND - 接地 接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。AVDD_PA11电源（模拟）2V-3.6V 模拟电源连接。连接到此管脚的PCB线路可当做PA口上的电感性负载。RF_N2 RF I/O RF接口接到CC24XX或CC25XX芯片RXTX3 模拟I/O或控制接口 当芯片接到CC24XX芯片时转换电压RF_P4RF I/O RF接口接到CC24XX或CC25XX芯片PAEN5数字输入口数字控制管脚 EN6 数字输入口数字控制管脚 HGM7数字输入口 数字控制管脚 HGM=1芯片处于高增益状态 HGM=0芯片处于低增益状态（仅接收）GND 8,9,12,14接地 连接到GND AVDD_PA2 10 电源（模拟） 2V-3.6V 模拟电源连接。连接到此管脚的PCB线路可当做PA口上的电感性负载。ANT11RF I/O 天线接口 AVDD_LNA 13 电源（模拟）2V-3.6V 模拟电源连接。连接到此管脚的PCB线路可当做PA口上的电感性负载。 BIAS15 模拟I/O 偏压输入口。此节点和接地间的电阻给所有PA管脚提供偏压电流。AVDD_BIAS16电源（模拟） 2V-3.6V模拟电源连接 对于CC2591的控制，主要是在于PAEN、EN、RXTX、HGM四个引脚，只要对着四个引脚引脚进行相对应的配置，即可控制器工作状态。对着四个引脚进行配置的配置表如下表2-8；表2-8 引脚功能配置PAENEN RXTXHGM操作模式 00NCX功率降低01NC0接收信号低增益01NC1接收信号高增益10NCX发送信号11NCX不选择2.2 太阳能供电技术太阳能供电技术主要有两个模块组成；一个是充电控制电路：另一个是放电保护电路。其中充电控制电路的核心芯片是CN3063,放电保护电路使用的是电压检测芯片CN301。这两种芯片的详细介绍如下；2.2.1 阐述充电控制芯片CN3063CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8 位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3063只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V ，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3063自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3 微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/ 充电结束状态指示等功能。CN3063的典型应用电路图如下图2-9所示：图2-9 CN3063 典型应用电路对于CN3063的使用主要是由、四个引脚决定的。其中对ISET所接的电阻进行适当选择可以决定充电电流的大小，在充电状态的所有模式下，此管脚的电压都可以根据下面的公式来监测充电电流；FB是电池电压Kelvin 检测输入端，此管脚可以Kelvin 检测电池正极的电压，从而精确调制恒压充电时电池正极的电压，避免了从电池的正极到CN3063的BAT 管脚之间的导线电阻或接触电阻等寄生电阻对充电的影响。如果在FB管脚和BAT 管脚之间接一个电阻，可以调整恒压充电电压。、分别是电池充电结束状态只是端和充电状态指示端。2.2.2 阐述电压检测芯片 CN301CN301是一款极低功耗的电池电压监测芯片，特别适合单节或多节锂电池，多节碱性电池，镍镉电池，镍氢电池和多节铅酸电池的电压监测。当电池电压低于设定的下行阈值时，CN301输出低电平，当电池电压大于上行阈值时，CN301输出高电平，并且下行阈值和上行阈值两者有固定的电压差，即迟滞。迟滞可以消除由于被监测电源噪声或者由于负载突变导致的电池电压不稳定而引起的监测输出紊乱。CN301采用5管脚SOT23封装，工作环境温度为-40C +85C。CN301的典型应用电路如下图2-10所示：图2-10 CN301典型应用电路2.3 本章小结本章对于整个课题所需要芯片作了相关介绍，包括WSN和WSN节点中使用的核心芯片CC2530。另对应用于WSN传感器节点的功放芯片CC2591也做了一定介绍，在传感器节点射频前端加入CC2591可以放大天线的发射功率，增加传输距离。同时对太阳能供电系统之充电管理芯片CN3063和电池电压进行检测芯片CN301作大致介绍。第三章 方案设计根据WSN传感器节点的功耗低、支持绿色能源供电、传输距离足够远等的功能需求分析，研究设计基于太阳能供电的WSN传感器节点。由太阳能供电部分和WSN传感器节点部分组成。因此本课题采用太阳能供电设计与无线传感器节点设计为一体的方案。3.1 太阳能供电的方案设计目前市场上太阳能供电的方案有许多种，其中大的方向有太阳能热供电和光伏供电。太阳能热供电是将太阳能转化为热能后在转为太阳能。而太阳能光伏供电这事利用晶体硅等光感材料将太阳能直接转化为电能，此种方案比较成熟，且适用于小成本和利于实现10。综上选定太阳能光伏供电作为此次的太阳能供电方案。本次制作的太阳能供电系统整体示意图如下3-1所示；图3-1 太阳能整体框图3.1.1 锂电池的选择WSN传感器节点在数据发送期间所需的峰值电流为29mA，在数据接收期间所需的峰值电流为24mA。通常情况下，每个WSN传感器节点会设计几个传感器。假设各种传感器所需的工作电流为30m