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《太原理工大学》 2010年
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无线传感器节点能量管理系统的研究

赵清华  
【摘要】: 无线传感器网络具有多跳性、能够自组织网络、无需基础设施支持的优点,在军事、民用领域都有着广阔的应用前景。然而,传感器网络节点数目庞大,分布区域广、部署环境复杂或危险,无法利用人工更换电池的方式来补充电能。所以解决无线传感器网络能量问题并对能量进行充分、合理的利用是我们研究的重点。 本文的主要工作如下。 1.采用低功耗的无线收发射频芯片nRF401和AT89C2051-12PU单片机,研制出一种体积小、成本低的无线传感器节点。该节点上携带有照度传感器和温度传感器,能够获取环境中的照度信息和温度信息,并测试出无线传感器节点在不同条件下的传输距离。结合无线传感器节点研制过程中遇到的困难,总结出无线传感器节点在设计和制作过程中应注意的问题。 2.分析了太阳能电池及光伏系统的特性,发现光伏电池工作在最大功率点时,输出性能是最好的,如果能使光伏电池一直工作在最大功率点附近,则能更高效地给传感器节点供能。在设计中引进了最大功率点跟踪算法。 3.分析了超级电容器和锂离子电池的原理及特性,并对超级电容器和锂离子电池混合使用的可行性进行了分析。分析结果表明将锂离子电池与超级电容器混合使用,可以减小锂离子电池的输出电流和充放电次数,降低内部损耗,延长放电时间,延缓失效进程。超级电容器和锂离子电池混合使用,可以扬长避短,优势互补,形成高容量、高功率、长寿命的混合储能系统,将扩展锂离子电池和超级电容器的应用空间。 4.分析了太阳能光伏电池的温度效应。发现太阳能电池中80%的光能转化为热能,20%的光能转化为电能。同时发现太阳能电池的温度升高影响其本身的工作效率。为了更充分地利用太阳能,减少温度升高对太阳能电池的影响,构建了光伏-温差混合能量管理系统。温差电池吸收光伏电池产生的热能并转化为电能,这不仅降低了光伏电池的温度,而且提高了光伏电池的输出电压和峰值功率。给系统增加电能的产出。在相同条件下,通过理论和实验验证,光伏电池单能量转化子系统与光伏-温差双能量转化子系统相比较,混合能源中光伏电池的背面温度最大可降低13℃;光伏电池的开路电压最大升高了304mV;光伏电池的效率提高了5.2%。充分体现了混合能源的优势,提高了光伏电池的发电效率并实现余热利用。因此,光伏-温差混合能量管理系统能为节点带来更多能量。但温差电池本身产生电压并不高,除了夏天之外,在一年的其它季节,温差电池输出的电压很难达到升压电路的启动工作电压,如果用温差电池直接向超级电容器充电,超级电容器中存储的电量也不会很多,为了尽可能多的利用能量,设计中采用了超低压升压技术。 5.通过对太阳能光伏电池输出特性的分析研究,发现在太阳能电池遇到多云天气或每天的早晨、黄昏,光照强度较低,输出功率低,虽然无法直接为传感器节点供电,但这部分能量持续的时间还比较长,如果不加以利用,必然是一种浪费。提出了太阳能光伏电池不同功率分段利用的思想,设计了太阳能光伏电池的能量高效收集电路。实验结果表明,应用了太阳能电池功率分段思想能够更有效地利用环境能量,提高了太阳能光伏电池的使用效率。 6.针对所设计的四代能量管理系统中均存在一个问题:能耗较高。设计了节能的能量管理系统。通过对单片机进行控制,使超级电容器仅仅在放电的时间内单片机开始工作,超级电容器放电完毕单片机停止工作,从而降低能量管理系统的能耗。 7.针对温差电池输出功率较低的缺点,研制出四块太阳能光伏电池为无线传感器节点供电的能量管理系统,将无线传感器节点周围的太阳能得以充分利用。在标准光强下,测试了基于传感器节点的单一能量管理系统和混合能量管理系统的整体性能,实验结果表明,所设计的能量管理系统各个部分能够协调工作,整个系统输出稳定,能够保证传感器节点的正常工作。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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