無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多跳性、能夠自組織網(wǎng)絡(luò)、無需基礎(chǔ)設(shè)施支持的優(yōu)點(diǎn)，在軍事、民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜或危險(xiǎn)，無法利用人工更換電池的方式來補(bǔ)充電能。所以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量問題并對(duì)能量進(jìn)行充分、合理的利用是我們研究的重點(diǎn)。本文的主要工作如下。
　　 ⑴采用低功耗的無線收發(fā)射頻芯片nRF401和AT89C2051-12PU單片機(jī)，研制出一種體積小、成本低的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。該

2、節(jié)點(diǎn)上攜帶有照度傳感器和溫度傳感器，能夠獲取環(huán)境中的照度信息和溫度信息，并測(cè)試出無線傳感器節(jié)點(diǎn)在不同條件下的傳輸距離。結(jié)合無線傳感器節(jié)點(diǎn)研制過程中遇到的困難，總結(jié)出無線傳感器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)和制作過程中應(yīng)注意的問題。
　　 ⑵分析了太陽能電池及光伏系統(tǒng)的特性，發(fā)現(xiàn)光伏電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，輸出性能是最好的，如果能使光伏電池一直工作在最大功率點(diǎn)附近，則能更高效地給傳感器節(jié)點(diǎn)供能。在設(shè)計(jì)中引進(jìn)了最大功率點(diǎn)跟蹤算法。
　　 ⑶分析

3、了超級(jí)電容器和鋰離子電池的原理及特性，并對(duì)超級(jí)電容器和鋰離子電池混合使用的可行性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明將鋰離子電池與超級(jí)電容器混合使用，可以減小鋰離子電池的輸出電流和充放電次數(shù)，降低內(nèi)部損耗，延長(zhǎng)放電時(shí)間，延緩失效進(jìn)程。超級(jí)電容器和鋰離子電池混合使用，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成高容量、高功率、長(zhǎng)壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將擴(kuò)展鋰離子電池和超級(jí)電容器的應(yīng)用空間。
　　 ⑷分析了太陽能光伏電池的溫度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)太陽能電池中80％的光能轉(zhuǎn)

4、化為熱能，20％的光能轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)太陽能電池的溫度升高影響其本身的工作效率。為了更充分地利用太陽能，減少溫度升高對(duì)太陽能電池的影響，構(gòu)建了光伏-溫差混合能量管理系統(tǒng)。溫差電池吸收光伏電池產(chǎn)生的熱能并轉(zhuǎn)化為電能，這不僅降低了光伏電池的溫度，而且提高了光伏電池的輸出電壓和峰值功率。給系統(tǒng)增加電能的產(chǎn)出。在相同條件下，通過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光伏電池單能量轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)與光伏-溫差雙能量轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)相比較，混合能源中光伏電池的背面溫度最大可降低

5、13℃；光伏電池的開路電壓最大升高了304mV；光伏電池的效率提高了5.2％。充分體現(xiàn)了混合能源的優(yōu)勢(shì)，提高了光伏電池的發(fā)電效率并實(shí)現(xiàn)余熱利用。因此，光伏-溫差混合能量管理系統(tǒng)能為節(jié)點(diǎn)帶來更多能量。但溫差電池本身產(chǎn)生電壓并不高，除了夏天之外，在一年的其它季節(jié)，溫差電池輸出的電壓很難達(dá)到升壓電路的啟動(dòng)工作電壓，如果用溫差電池直接向超級(jí)電容器充電，超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電量也不會(huì)很多，為了盡可能多的利用能量，設(shè)計(jì)中采用了超低壓升壓技術(shù)。

6、　　 ⑸通過對(duì)太陽能光伏電池輸出特性的分析研究，發(fā)現(xiàn)在太陽能電池遇到多云天氣或每天的早晨、黃昏，光照強(qiáng)度較低，輸出功率低，雖然無法直接為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，但這部分能量持續(xù)的時(shí)間還比較長(zhǎng)，如果不加以利用，必然是一種浪費(fèi)。提出了太陽能光伏電池不同功率分段利用的思想，設(shè)計(jì)了太陽能光伏電池的能量高效收集電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用了太陽能電池功率分段思想能夠更有效地利用環(huán)境能量，提高了太陽能光伏電池的使用效率。
　　 ⑹針對(duì)所設(shè)計(jì)的四代能量

7、管理系統(tǒng)中均存在一個(gè)問題：能耗較高。設(shè)計(jì)了節(jié)能的能量管理系統(tǒng)。通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，使超級(jí)電容器僅僅在放電的時(shí)間內(nèi)單片機(jī)開始工作，超級(jí)電容器放電完畢單片機(jī)停止工作，從而降低能量管理系統(tǒng)的能耗。
　　 ⑺針對(duì)溫差電池輸出功率較低的缺點(diǎn)，研制出四塊太陽能光伏電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的能量管理系統(tǒng)，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)周圍的太陽能得以充分利用。在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，測(cè)試了基于傳感器節(jié)點(diǎn)的單一能量管理系統(tǒng)和混合能量管理系統(tǒng)的整體性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，