自供電無線感測器網路的能量管理技術和理論研究

《自供電無線感測器網路的能量管理技術和理論研究》是依託重慶大學，由余華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：自供電無線感測器網路的能量管理技術和理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余華
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

無線感測器網路由於其巨大的經濟價值和廣闊的套用前景，成為國內外廣泛關注和研究的熱點。然而，在傳統的基於電池供電的無線感測器網路中，電源已成為其發展的瓶頸問題。本課題以基於自供電技術的無線感測器網路能量管理為研究對象，對其相應的微能量採集系統的電源管理技術和網路能量管理模式和策略的科學問題進行研究。具體內容包括：① 磁電換能器超低電壓啟動的AC-DC整流和熱電換能器DC-DC升壓變換器建模分析和電路實現；② 換能器輸出最大功率點跟蹤算法研究；③ 能量儲存模式的最佳化研究；④ 磁電與熱電複合式微能量採集系統的電源管理專用晶片研究；⑤ 電磁場環境採集能量預測數學模型構造及理論研究。本課題旨在從單晶片電源管理積體電路實現和基礎理論研究兩方面，為自供電無線感測器網路的電源管理設計奠定技術基礎和為將來感測器節點技術、組網協定研究奠定理論基礎，具有重要要的理論意義和工程套用價值。

結題摘要

能量問題已成為制約無線感測器網路發展的瓶頸，本課題針對自供電無線感測器網路的能量管理相關理論與技術問題進行了研究。課題設計了適用於磁電、壓電能量轉換的超低電壓啟動的AC-DC整流電路，與傳統整流電路相比，具有壓降損耗、功耗低的優點，所設計的有源整流電路的當輸入電壓為1V時，最小壓降可達33mV，藉助於外部器件，最低啟動電壓可低至10mV；研究了適用於溫差熱電發電的超低電壓啟動的DC-DC升壓變換器的建模方法，設計了相關電路，可實現最低40mV輸入的直流電壓啟動，為實現微弱信號的能量轉換與收集奠定了基礎；建立了適用於微光條件下的新的光伏電池“五參數模型”，與傳統的模型相比，具有更高的預測精度和更快的計算收斂速度，為實現能量收集器的輸入能量預測提供了理論基礎；設計了弱光條件下的室內光能量採集系統，實現了對無線感測器的自主供電；提出了一種新的最大功率點跟蹤算法及實現電路，使超級電容充電的效率比直接充電提升了3.24倍；研究了壓電、電磁能量收集器的輸出特性，通過引入工作於DCM模式下的DC-DC變換器實現了與換能器的最佳阻抗匹配，實現了能量收集器的最大功率輸出，測試結果表明能量收集的效率提升了3.33倍；研究了基於收集多種環境能量的複合微能源的工作機制，研製了複合式振動微能量收集器，設計了阻抗匹配電路、最大功率點跟蹤電路、能量儲存電路、能量瞬時釋放電路及DC-DC電壓調節電路，研製了適用於無線感測器節點供電的自主微能源系統；研究了微能量的高效儲存模式，比較了儲能電池與超級電容的優缺點，並以超級電容作為微能源系統中的儲能器件實現了能量的高效積聚與釋放管理；研究壓電、磁電及溫差熱電複合式能量收集的工作機理，分析了能量輸出的影響因素，建立了相關能量收集器的能量輸出預測數學模型，為能量收集器的設計提供了理論支撐；設計了適用於複合式微能量採集系統的低壓差線性（LDO）和DC-DC電源管理專用晶片。課題的研究內容及相關研究成果為實現單晶片的微能源系統奠定了理論與技術基礎。