基于环境能量收集的自供能无线传感系统的能量管理研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）技术的不断发展，使物联网（InternetofThings,IoT）、大数据、人工智能（Artificial Intelligence,AI）所需的海量、低成本、高质量的数据收集成为可能，从而可以实现无处不在的智能传感，并将深刻地影响未来人类社会。智能无线传感器网络可以不受布线限制向人类提供感知、衡量和处理环境信息的能力，是继互联网之后给人类的生活和生产方式带来全新变革的又一重要技术。无线传感器节点作为WSN的基本的组成单元，主要负责实现WSN对监测区域传感数据的获取、处理和通信。由于WSN具有大规模自组网的特性，无线传感器节点受到成本和体积的限制，属于一个硬件资源有限的微型嵌入式系统。同时由于采用储能有限的电池供电，无线传感器节点还存在工作寿命有限、电池更换或维护成本高等方面的能量受限制约。在硬件资源和能量同时受限时，节点的能量提供、存储和使用的问题将直接影响WSN整体的性能甚至使用寿命，是限制其实际应用的关键性问题。解决这一问题，一方面可以从器件、电路、系统不同层面降低节点负载的功耗水平的设计方式出发来增加系统的能量使用效率或提高电池本身的性能，实现对节点的耗能优化；另一方面，在环境能量收集技术的基础上，从系统整体的能量供需出发，围绕针对能量配置管理的信息处理理论模型与设计方法，改进无线传感器的供能结构，发展免更换电池、甚至无电池的无线传感技术，提供了解决电池容量限制这一瓶颈的有效途径。 本文应用环境能量收集技术供电，对无电池自供能WSN节点进行了研究、设计与实现。由于WSN具有广泛的应用场景，因此其适用于涵盖了声光电热力各种形式能量源的环境能量收集技术。而不同的能量源输出特性各异，会导致自供能WSN节点面临着环境能量收集设备和节点低功耗负载间不同的能量不匹配问题，这增加了无电池自供能WSN节点的设计难度和周期。本文从系统框架和自供能能量管理算法层面上解决环境能量收集设备和节点低功耗负载间的能量供需不匹配问题，并以此基础上对具体应用场景下的无电池自供能WSN节点进行设计和实现。 1)针对自供能WSN节点中环境能量收集设备和低功耗负载间的能量形式不匹配和瞬间功率不匹配的问题，基于“收集-存储-使用”体系设计了自供能能量管理模块；基于“能量中性”原则，设计了基于环境能量源输出能量、环境触发信息和节点负载运行状态信息下的，对负载的功率进行通断控制的自供能能量管理算法的基本策略；通过面向能量产生和输出整体特征进行管理的自供能能量管理模块，实现了可以通用的无电池自供能WSN节点验证平台。 2)将自供能WSN节点验证平台应用于收集人体健康的智能鞋，基于压电能量收集技术，克服了目前存在的军用或者野外无供电条件下，智能靴产品需要更换电池或者反复充电的技术瓶颈。实现了基于自供能的人体行走生物信息监测无电池WSN节点的智能靴系统。 3)针对基于自供能的低功耗WSN节点的测试，建立了测试平台。通过理论分析与实验测试分析分别对验证平台技术的自供能能量管理算法控制信号及各模能耗进行测量及分析。 4)最后，本文对本课题的下一步研究方向进行了讨论。

目录

声明

第一章绪 论

1.1无线传感器网络技术背景

1.2无线传感器网络中环境能量收集技术的研究现状

1.3本课题研究内容及章节安排

1.4本章小结

第二章自供能无线传感器节点系统研究

2.1研究现状分析及待解决的问题

2.1.1 WSN节点

2.1.2 WSN节点供能

2.1.3 WSN节点负载

2.1.4环境能量收集技术

2.1.5问题描述

2.2自供能WSN节点的系统设计

2.3自供能能量管理的理论模型与算法设计

2.3.1能量中性原则

2.3.2自供能能量管理算法的基本策略

2.4本章小结

第三章自供能系统技术平台设计

3.1自供能系统技术验证平台设计

3.2芯片及模块选型说明

3.2.1环境能量收集设备选型

3.2.2自供能能量管理元件选型

3.2.3负载元件选型

3.3自供能无线传感系统电路设计

3.3.1负载子模块电路设计

3.3.2自供能能量管理子模块电路设计

3.3.3平台样机

3.4能量管理策略

3.4.1低功耗能量管理

3.4.2自供能能量管理

3.5本章小结

第四章自供能无线传感系统应用

4.1自供能应用场景

4.2自供能系统测试平台

4.2.1测试仪器

4.2.2测试基本方案

4.3自供能无线传感系统应用

4.3.1测试方案

4.3.2测试结果及数据处理

4.3.3基于“能量中性”原则的参数获取

4.4自供能无线传感系统应用效果

4.4.1测试方案

4.4.2测试结果与数据处理

4.4.3应用效果小结

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果