基于风致振动微型能量收集器供电的无线传感系统设计与实验研究

摘要

无线传感网络是物联网技术应用的重要基础，然而无线传感网络节点的电源问题却日益成为其发展的瓶颈，特别是在一些特殊的应用环境中，如无人值守、条件恶劣、不易更换电池等使用环境。随着MEMS微能源技术的发展以及各种低功耗电子器件的出现，利用将环境能转换为电能的微型能量收集器为节点供电已成为一种新的途径，其能够减小节点体积、延长节点寿命，进而拓宽无线传感网络的应用范围。因此，开展基于风致振动微型能量收集器供电的无线传感系统研究，对无线传感网络技术的发展具有重要的科学意义和实用价值。
　　论文针对无线传感系统在航空航天、武器装备等领域的应用需求，结合重庆大学微系统研究中心自主研发的风致振动微型能量收集器，提出了一种基于风致振动微型能量收集器供电的无线传感系统设计方案。根据无线传感节点的能耗要求，在分析了风致振动电磁式微型能量收集器工作特性和输出特性的基础上，完成了微型能量收集器为传感发射系统供电的管理电路设计；针对无线传感系统中对发射节点和接收节点不同的应用要求，分别设计了低功耗无线发射系统和无线接收系统，完成了系统装调工作；通过实验研究，对无线传感系统进行了可行性验证和功耗测试，结果表明，在风致振动下微型能量收集器产生的电能可以满足无线传感发射系统工作要求，接收系统能可靠接收数据，设计达到课题要求。论文的主要研究工作如下：
　　①在查阅了大量中英文文献的基础上，对微能源系统为无线传感网络供电的国内外研究现状进行了分析；
　　②分析了风致振动电磁式微型能量收集器的工作特性以及超级电容器的充放电特性，设计了一种微能源系统充放电模型,对模型进行了仿真，在此基础上提出了系统设计的整体方案；
　　③集成设计了无线发射系统的电源管理电路、温度传感电路、无线通信发射电路以及单片机接口电路，制作了印制电路板（PCB），编写了单片机控制程序；
　　④设计了相应的无线接收系统，搭建了基于ARM处理器的上位机数据显示平台，编写了单片机控制程序和上位机QT图形界面应用程序，实现了无线数据接收和显示功能；
　　⑤通过实验测试了系统功耗并验证了系统设计的可行性。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2选题背景和意义

1.3国内外研究现状

1.4课题的研究目的及主要内容

1.5本章小结

2 系统原理与方案

2.1 引言

2.2风致振动电磁式微型能量收集器

2.3 超级电容器

2.4微能源系统充放电模型的建立与仿真

2.5 系统整体方案设计

2.6 本章小结

3 系统硬件电路设计

3.1引言

3.2 整体方案

3.3 无线发射系统设计

3.4无线接收系统设计

3.5无线通信模块

3.6 本章小结

4 系统软件设计

4.1 引言

4.2 单片机开发环境介绍

4.3 无线发射系统软件设计

4.4 无线接收系统软件设计

4.5本章小结

5 实验与分析

5.1 引言

5.2 系统调试及实验

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1论文主要工作与结论

6.2后续研究工作展望

致谢

参考文献