自供电无线振动传感器网络振动能量收集与管理方法研究

摘要

机械测试无线振动传感器网络是一种分布式传感网络，具有自组织、覆盖范围广、扩展性强等特点，在机械振动监测领域有着巨大的应用潜力。而随着机械测试无线振动传感器网络的广泛应用，传统的有线供电、电池供电方法，已无法满足节点在特殊环境下的应用需求。能量供应问题制约了无线传感器网络的发展，亟需节点从环境中获取能量实现能源自给。机械测试无线振动传感器网络所处环境存在大量机械振动，这使得收集振动能量供应无线传感器节点成为可能。本文针对机械测试无线振动传感器网络的能量供应问题，开展振动能量收集与管理方法研究，实现无线振动传感器网络的自供电，论文主要研究工作如下：　　针对目前的能量收集与管理方法在系统能源耗尽状态下无法实现自启动的问题，提出了振动能量收集与管理系统冷启动方法，并设计了冷启动电路。首先对振动能量收集与管理系统器件的工作特性进行分析，得到其能量特性；然后根据其能量特性，设计了电压阈值滞回窗闭锁电路，对低功率能量收集过程进行管理；充分考虑系统冷启动过程中，大容量蓄能电容长期处于低压状态，设计基准电压电路，为电压阈值滞回窗闭锁电路提供可靠的参考基准；设计了低压自锁电路，避免蓄能电容为后级负载电路供电时产生能量损耗，提升了能量利用效率。冷启动电路能够确保：即使在系统能源消耗殆尽的情况下，振动能量收集与管理系统也能够不依靠外部电源供电，重新启动并进入正常工作状态。　　针对单模组能量收集与管理方法无法兼顾无线振动传感器网络节点高、低功耗模式下能量供应周期和容量的问题，提出了双模组振动能量收集与管理方法，并设计了双模组振动能量收集与管理电路。设计了全桥整流与滤波电路，将压电能量转换器产生的交变能量转换为较为平稳的直流能量；分别设计了小能量存储容量模组和大能量存储容量模组，并设置了两种蓄能模式，以满足机械振动无线传感器网络节点对大容量、短蓄能周期的双重需求；设计了能源状态监测与蓄能模式切换电路，对蓄能电容的能源水平进行监测，根据节点工作模式切换蓄能模式。双模组振动能量收集与管理电路，兼顾了无线振动传感器网络在不同工作模式下的能耗以及实时性需求。　　自供电无线振动传感器网络节点系统测试验证。将具备冷启动的双模组振动能量收集与管理系统与无线振动传感器网络节点对接耦合，形成自供电无线振动传感器网络节点并对其进行了测试验证，实验结果表明，自供电无线振动传感器网络节点依靠自身收集的振动能量，能够对振动信号进行采集，并将振动数据通过无线模块上传至上位机，实现机械设备运行状态监测。

目录

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3.1 无线传感器网络能量供应国内外研究现状

1.3.2 振动能量收集与管理电路国内外研究现状

1.4 论文主要工作和内容安排

2 自供电无线振动传感器网络节点

2.1 引言

2.2 自供电无线振动传感器网络节点总体构架

2.3.1 无线振动传感器网络节点系统

2.3.2 节点系统能耗特性分析

2.4.1 压电参数分析

2.4.2 压电能量转换器选型

2.5.1 振动能量收集与管理系统

2.5.2 系统电路器件能量特性分析

2.6 本章小结

3 振动能量收集与管理系统冷启动方法研究

3.1 引言

3.2.1 冷启动方法设计思想

3.2.2 冷启动方法总体架构

3.3 冷启动电路设计

3.3.1 基准电压电路

3.3.2 可调阈值滞回窗闭锁电路

3.3.3 低压自锁电路

3.4 电路性能验证

3.4.1 电路功能测试

3.4.2 能量转换效率测试

3.5 本章小结

4 双模组振动能量收集与管理方法研究

4.1 引言

4.2 双模组振动能量收集与管理总体架构

4.3.1 交直流变换与滤波电路

4.3.2 能量存储电路

4.3.3 能源状态监测与蓄能模式切换电路

4.3.4 电路性能验证

4.4 自供电无线振动传感器网络节点系统测试验证

4.4.1 自供电性能测试

4.4.2 振动信号采集应用实验

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结及主要创新点

5.2 后续研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢