现代电子技术
Modern Electronics Technique
Sep.2022Vol.45No.18
2022年9月15日第45卷第18期
0引言
随着物联网时代的兴起与感知技术的快速发展，无线传感器网络已经广泛应用于人们生活的方方面面，信息感知终端逐渐向微型化、集成化、网络化和智能化发 展[1⁃2]。在实际的场景中，多元联合感知在无线传感器网络中的应用越来越普遍，同一个监测现场往往会采用多种终端传感设备完成信息的采集与获取。然而，传感器终端设备的供电问题日益突出，表1为市场上常见的几种传感器设备的供电需求电压。在大规模无线传感器 DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.18.022
引用格式：肖雨，朱黎，谭建军，等.基于CC2530的远程可调直流稳压电源设计[J].现代电子技术，2022，45（18）：111⁃116. 基于CC2530的远程可调直流稳压电源设计
肖
雨1，朱
黎1，2
，谭建军1，杨
晨1，李清海1，刘伟1
（1.湖北民族大学，湖北恩施445000；2.硒食品营养与健康智能技术湖北省工程研究中心，湖北恩施
445000）
摘
要：针对户外无线传感器网络中节点终端多样化供电需求的问题，文中以无线传感器网络芯片CC2530为控制核
心，设计一种小功率可调直流稳压电源。该电源利用具备8051CPU 内核的CC2530控制芯片，并结合ZigBee 协议栈以及PWM 电压反馈调节控制原理，实现输出稳压、远程调压、无线组网、监测、异常报警等功能。另外，电源节点端采用CC2530主控芯片端口输出PWM 波，采用电压反馈调控占空比完成Buck 电路输出工作的同时与协调器端通过无线传感器网络连接，使无线传感器网络芯片CC2530的片上资源得到充分应用。最后，通过搭建实验样机系统进行验证，室内测试采用直流电压源模拟户外光伏输入。测试结果表明，所设计的远程可调直流稳压电源输出电压误差小于0.5%，无线调压步进值为0.5V ，能够满足多种传感器终端设备的供电需求，具有较高的实用价值。 关键词：直流稳压电源；电源设计；CC2530；无线传感器网络；远程调压；远端监测；室内测试
中图分类号：TN86⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X （2022）18⁃0111⁃06
Design of remote adjustable DC stabilized power supply based on CC2530
XIAO Yu 1，ZHU Li 1，2，TAN Jianjun 1，YANG Chen 1，LI Qinghai 1，LIU Wei 1
（1.Hubei Minzu University ，Enshi 445000，China ；
2.Hubei Engineering Research Center of Selenium Food Nutrition and Health Intelligent Technology ，Enshi 445000，China ）
Abstract ：In allusion to the diversified power supply requirements for node terminals in outdoor wireless sensor networks ，a low ⁃power adjustable DC regulated power supply is designed ，which takes the wireless sensor network chip CC2530as its control core.In the power supply ，the control chip CC2530with 8051CPU core is used to realize the output voltage stabilization ，remote voltage regulation ，wireless networking ，monitoring ，abnormity warning and other functions by combing with ZigBee protocol stack and PWM voltage feedback regulation control principle.At the power supply node end ，the CC2530main control chip port is used to output PWM wave ，and voltage feedback is used to adjust the duty cycle to complete the output
of the Buck circuit.It is connected with the coordinator through the wireless sensor network ，so as to fully utilize the on⁃chip resources of the wireless sensor network chip CC2530.The experimental prototype system is built for verification ，and the DC voltage source is used to simulate outdoor photovoltaic input in the indoor test.The testing results show that the output voltage
error of the remote adjustable DC stabilized power supply is less than 0.5%，and the wireless voltage regulation step ⁃by ⁃step
value is 0.5V ，which can meet the power supply requirements of various sensor terminal devices ，and has higher practical value.Keywords ：DC stabilized power supply ；power design ；CC2530；wireless sensor network ；remote pressure regulation ；
remote monitoring ；indoor test
收稿日期：2022⁃02⁃17修回日期：2022⁃03⁃23
基金项目：国家自然科学基金地区基金（61961017）；国家自然科学基金面上项目（61771188）；硒食品营养与健康湖北省工程研究中心2021
年度开放课题（PT082105）
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网络中终端传感节点的稳定运行是信息有效获取的基
本保障[3]，尤其在野外部署的无线传感器监测场景中，如何方便、快捷地向多样化终端传感设备提供稳定可靠的供电电源成为了亟待解决的问题[4⁃5]。
表1多种传感器供电需求表
传感器类型压力传感器拉力传感器温度传感器光照度传感器电流传感器温湿度传感器水质pH 值传感器
型号SM6841FL34PT100FM⁃GZ MLX91210DHT11OSA⁃14A
供电需求电压/V
0~103~1555~254.5~5.566~12
针对野外无线传感器网络中多样化传感终端供电的问题，现大多采用光伏电池、控制器、蓄电池的传统供电方式，传统供电方案如图1所示。方案中光伏电池板接收光照输出方式为不稳定直流，经由光伏控制器稳压输出，一方面为传感器节点提供稳定工作电压；另一方面将部分能量存储于蓄电池中，当光照充足时存储能量，光照不足时蓄电池为传感器节点提供能量，来保证传感器节点处于正常工作状态。该方案中，控制器一般输出5V ，12V ，24V 三种标准电压，无法根据终端传感设备的供电需求实现输出电压的连续可调，不利于在监测现场针对不同传感器终端的电源系统的统一规划及部署；
另外，尤其在野外大规模无线传感器部署场景中，无法对电源实现状态实时监测与定位，当由于电源故障导致终端节点异常掉线后，无法快速判断故障原因，更
不能精准定位故障以便工作人员快速进行维修。
图1传统供电方案
针对上述问题，在野外无线传感器网络中，设计一套能够为多样化的传感器终端提供统一供电方案的
电源具有重要意义。目前有大量研究者对节点稳压电源进行方案设计研究。其中，文献[6⁃8]针对小功率供电电路设计稳压电源，采用固定稳压芯片外接负载来实现固定电压的输出。该设计稳压电源应用于节点供电方案
中电压可调范围不足，输入以及负载变化时稳压效果不显著，故该电源使用场景有限。文献[9⁃10]方案中设计可调直流稳压电源解决输出调节范围的问题，该设计方案中引入反馈环节稳压，但对其电源的设计依靠传统电源进行改进，传感器节点实际供电需求考虑不足。文献[11⁃12]中针对传感器节点供电电源进行设计，在满足稳压电源功能的同时引入电源管理，但设计依靠于多芯片工作，缺乏基于无线传感器网络节点本身进行设计和多样化供电需求的考虑。
本文以CC2530芯片为控制核心，设计了一种能够为终端多元传感设备提供统一供电方案的小功率可调直流稳压电源。研究内容主要体现为以下方面：1）基于CC2530单芯片的控制与无线组网功能，设
计并实现一种电源小功率可调直流稳压电源，电源同时具有自动组网与远程调压的功能，能够满足无线传感器网络中传感器终端多样化供电需求。
2）引入电压负反馈，基于PWM 电压反馈调节控制原理提升电源的稳压效果，使节点电源端电压输出误差小。
3）实时监测电源的输出电压、输出电流、输出功率等基本参数，当电源参数出现异常时在远端平台上报警提示，并通过节点电源地址实现故障电源的定位。
1
总体设计
1.1
整体结构
针对野外无线传感器网络节点供电的特定应用场景，本文提出一种基于CC2530的远程可调直流稳压电源。在监测现场，监测数据通过监测节点（多样化传感器终端）进行采集，监测数据通过无线传感器网络汇聚到数据协调器后，由传感器网络发送至远程平台，远程平台即可对监测现场的采集数据进行监测。为了方便描述，根据传感器终端不同的供电需求，将监测节点暂分为A 类、B 类、C 类进行表示。
电源系统应用场景结构如图2所示，由电源节点、电源协调器、传输网络、远端平台等部分构成。其中，电源节点将光伏电池、直流风机输出的直流电压进行降压，一方面通过采样电路实时采集节点输出电压、电流、功率等参数并反馈给控制电路；另一方面，通过CC2530控制芯片输出PWM 波形改变
占空比，实现对输出电压精确调节，实现输出端在负载变化以及输入波动时可稳定电压输出。另外，采样得到的电源节点的输出参数通过ZigBee 无线传感器网络由电源协调器通过传输网络发送到远端平台，实现远程在线监测；同时远端平台也可以远程发送调压控制信号控制指定的电源节点，实现
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远程在线调压。在这个过程中，还可以利用ZigBee 网络
中电源节点的地址进行定位，方便电源系统的故障监测和维护处理。综上所述，该系统可以对多组电源节点进行远程在线监测、
在线调压以及故障定位。
图2电源系统应用场景结构框图
1.2
PWM 控制原理
CC2530控制芯片端口输出PWM 波形，通过PWM
占空比D 利用电感伏秒平衡现象调节输出电压，并通过采样电路反馈给主控芯片后由OLED 屏显示输出电压。在Buck 电路中输入与输出关系满足式（1）、式（2），
V in 为输入电压，
V o 为输出电压。通过调节PWM 波形占空比D 来调节输出电压变化。
(V in -V o )D =V o (1-D )
（1）
V o =DV i
（2）
输出电压在固定输入时，由提供给电路中开关管PWM 波占空比决定。
2电源节点硬件设计
本文选用CC2530为控制芯片，该芯片支持基于
ZigBee 协议实现无线自组网，同时具有低功耗、低成本、高灵敏度等特点，并自带多路ADC 采集[13]
。太阳能电池、直流风机等通过稳压滤波后将直流输入信号连接至
电源节点，电源节点降压稳压后给多种终端供电。电源节点包括Buck （降压）电路主回路、CC2530控制芯片、辅助供电电路、显示电路，电源节点的硬件电路框图如图3所示。远程平台发送的调压指
令通过电源协调器发送到某电源节点，其内部的CC2530控制芯片将通过P0.3端口输出对应占空比的PWM 波，控制Buck 主回路电路的开关管工作状态，实现对输出电压精确调节；同时，采样电路采集的实时输出电压通过P0.7端口反馈至CC2530控制芯片，采样值与远程调压值进行比较并反馈控制，进一步稳定电压输出。另外，基于CC2530多个电源节点实现ZigBee 网络自组网，实现多电源节点的远
程监测与远程调压。
图3硬件设计框图
2.1
主回路电路设计
主回路电路选用非隔离型Buck 变换器电路作为控
制主回路，该电路可以由较高直流输入实现较低直流输出（DC 变换器）。主回路由稳压滤波、开关管、采样反馈电路组成。主回路中开关管驱动电路部分采用IR2104高速MOS 管驱动器，使CC2530的P0.3引脚输出高低电平PWM 波，快速驱动开关管工作使可调稳压电源稳定工作。在电路的稳压部分，采用双电容组合进行高频信
号波滤除，滤除杂波的同时有稳压作用。控制部分由CC2530根据主回路电路采样电压反馈稳定输出PWM 波。主回路开关管选择MOS 场效应管，并采用肖特基二极管替代传统二极管，肖特基二极管功耗低、反向恢复时间极短且正向压降仅0.4V 左右。稳压电源主回路如图4
所示。
图4稳压电源Buck 主回路
2.2
辅助供电电路设计
辅助电源电路采用固定稳压芯片为主回路中提供
稳定供电电压，其中CC2530供电采用AMS1117⁃3.3稳压电源芯片输出稳压3.3V 提供。MOS 开关管驱动IR2104需要由LM7805芯片提供的稳压5V 工作。2.3
采样电路设计
采样电路图如图5所示，CC2530的P0.7端口输入ADC
采样信号。
图5采样电路图
肖雨，等：基于CC2530的远程可调直流稳压电源设计113
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采样部分
ADC 电压值由电阻分压比4.7kΩ与1kΩ串联，构成负载侧采样电压电路。
V ADC =
1
4.7
V o （3）
本文采用电压反馈来反馈当前电源工作状态，根据当前采集ADC 值来判断电源的工作情况，比较增减调节PWM 波形占空比达到稳定电压输出。
3软件设计
本文基于CC2530组建ZigBee 无线传感器网络，将
单个可调稳压电源工作参数传输至协调器，然后由协调器将数据传输给后端平台。软件设计分为电源节点（电源节点端）和电源控制节点（协调器）端两个部分。3.1
电源节点软件设计
可调稳压电源节点端工作时，先进行控制芯片CC2530初始化设置，主要有对外设端口、工作方式确
定以及中断设置；然后读取采样端口的反馈电压值与预设定输出电压，比较得出合适占空比的PWM 波输出，并判
断是否有协调器端发出指令调节变化，在负载端变化时通过采样反馈调整PWM 波占空比输出，进而判断稳定负载侧电压与预定值是否一致。节点电源端软件设计部分的流程如图6
所示。
图6节点电源端流程
3.2
协调器端软件设计
在协调器端首先进行初始化，将协调器端相应动作
指令发送给节点端，然后对无线传输数据进行显示，并连接串口与计算机使传输数据在计算机端显示。
协调器端的软件设计流程如图7
所示。
图7协调器端流程
4测试结果
根据前文设计制作PCB 电路，搭建实验平台，设计
样机实物如图8所示。使用可调直流电源模拟光伏或直流风机的输出，协调器外接OLED 屏实时显示稳定电压值与ADC 采样值，计算机模拟远端平台，协调器通过
串口与计算机通信模拟远程监测与远程调压。
图8设计样机实物图
4.1
输出电压误差测试
分别在外接负载变化（0~100Ω）与输入电压干扰
波动两种情况下，对电源输出电压误差进行测试。给定输入电压V i =20V ，样机上电，设置PWM 波占空比初始值，实现稳定输出。对稳压电源稳压度w 测试，输出电压误差公式表示为：
w =
ΔV o
V o
×100%（4）
式中：
V o 为测试输出值；ΔV o 为测试输出值与实际输出114
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值理论计算之差。
测试分为外接负载0～100Ω变化时与输入电压干扰波动，对引入反馈与无反馈引入两组分别测试，结果如图9
所示。
图9稳压测试输出电压曲线图
由图9a ）与图9b ）中曲线可知，在无引入反馈和引入反馈时电源输出电压随输入与负载影响而变动，加入反馈的稳压电源所接负载与输入端电压变化时，输出端电源稳压效果好且误差小，输出电压误差控制在0.5%以下。4.2
远程调压测试
输入V i =20V 与固定负载R L =50Ω的情况下，通过远端平台按下“步进+”或“步进-”进行远程调压测试。实验过程中，电源协调器与电源节点距离设为1m ，实验共测试20次，系统反应灵敏，能够实现远程调压功能。列举其中7组数据进行说明，如表2所示，其中ΔV 为调整步进值，D 为PWM 波形占空比，V ADC 为采样点电压，
V o 为显示输出值。表2数据表明，在固定负载与输入端电压时，通过
远端平台端无线控制调整节点端输出电压，单次触发调整步进稳定在0.5V 左右，调节电源电压满足多样化监测节点供电需求。4.3
远程监测测试
在实验室条件下运行多组可调稳压电源，协调器节点与电源节点进行组网连接，将电源节点分为1组、2组与3组，每组设定为不同电压满足实际多样化供电需
求，报警提示测试设置第3组模拟离线状态报警提示，其远端控制平台界面如图10所示。该平台界面可将每组电源工作参数采集统一检测显示，并管理电源系统工作状态。无线传感器组网选择网状网（Mesh ）拓扑方式，在其基础结构上可以形成较为复杂的网络来满足系统工作的需要。该网络结构具有节点互联互通、自配置、高利用率的特点还具有自组织、自恢复功能，可广泛地兼容无线客户终端。
表2固定输入与负载协调器端调整下输出电压
组数
1234567
D /%44.746.949.452.549.847.244.9
V ADC /V 1.5071.5871.6711.7731.6821.5951.514
V o /V 8.919.399.8710.469.959.438.96
ΔV /V
00.490.480.590.510.520.47
远程平台指令
初始化步进增（+）步进增（+）步进增（+）步进减（-）步进减（-）步进减（-
）
图10远端控制平台界面图
5结论
本文提出一种基于CC2530芯片为控制核心的小功率可调直流稳压电源，经过测验，该电源输出电压稳定，误差较小；能够在外接负载变化时自调节，可无线调控输出电压节点端，接收延时小，实现基于单芯片同时解决稳压电源的调压、稳压、无线组网、监测等功能；并当电源参数出现异常时，在远端平台上进行报警提示实现电源故障定位，满足户外多样化节点供电需求。本文所设计电源具备传统稳压电源功能，同时兼具无线传感器网络功能，可满足实际场景多样化供电需求，具有实用价值。
注：本文通讯作者为朱黎。
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