利用环境余热供电的无线温度测量系统设计

无线测量节点的供电是无线测量系统在实际应用中受限制的主要问题之一.为解决此问题提出了一种收集工业生产现场环境余热并转换成电能为无线测量节点供电的方法.设计了由多个无线温度测量节点和一个Sink节点组成的无线温度测量系统.无线温度测量节点以CC2530为核心处理器,用热电偶测量温度,节点电源由能量收集模块供给.能量收集模块用热电片收集环境余热,以LTC3109为核心构成电源管理模块从而获得3.3 V输出电压.设计了上位机软件实时显示和保存Sink节点收到的各测温节点的温度数据.实验表明,在一定环境条件下能量收集模块可以为无线温度测量节点提供工作电源,为无线测量节点供电提供了一种参考解决方案.     

Energy storage options for wireless sensors powered by aircraft specific thermoelectric energy harvester

This paper describes an approach for efficiently storing the harvested energy from a thermoelectric module for powering autonomous wireless sensor nodes in aircraft health monitoring applications. Thermoelectric devices are the preferred option due to the widespread availability of significant levels of energy from the temperature gradients or variations at the aircraft, such as the cabin, the engine compartment, the fuel tanks or the inner and outer frame of the fuselage. Batteries and supercapacitors are popular choices of storage device, but neither represents the ideal solution, with, supercapacitors possessing low energy densities while batteries have low power density. When using a battery-only solution for storage, the runtime of a typical sensor node is typically reduced by the battery’s relatively high internal impedance and thermal loss. Supercapacitors can overcome some of these problems, but generally do not provide sufficient long-term energy to allow aircraft health monitoring applications to be operated over an extended period. A hybrid energy storage solution can provide both energy and power density to a wireless sensor node simultaneously. Techniques such as acoustic–ultrasonic, acoustic-emission, strain and crack wire sensors require storage approaches that can provide immediate energy on demand, usually in short, high intensity bursts, and that can be sustained over long periods of time, storing up to 40–50 J of energy. This application requirement is considered as a significant constraint when working with battery-only and supercapacitor-only solutions. The hybrid system described here provides an alternate viable solution.     

面向电力设备的温度检测节点功耗研究及自供电电源设计

对电网中电力设备进行实时的温度检测是避免电网设备故障与安全事故的重要手段,采用非接触式的无线测温技术是近年来电力系统向智能化发展的重要体现。针对智能电网的发展需求,设计了一种基于无线射频通信技术的温度检测节点,该节点由温度传感器DS18B20、超低功耗单片机PIC18LF14K50与无线射频收发芯片MRF49XA组成,可实现休眠等待、数据采样处理与无线通信3种工作状态。通过设置不同工作状态下的关键参数,对温度检测节点的平均功耗进行测试比较,总结归纳了节点功耗规律。在此基础上,为温度检测节点设计了一种基于LTC3588-1芯片的自供电电源管理单元,采用成熟可靠的感应电流取能技术满足温度检测节点的自供电需求。研究表明,当节点处于充满电状态时,一旦切断能量源,节点仍能持续稳定工作47 h,足以维持温度检测节点的正常工作直至电网恢复正常运行。     

一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

针对振动能量采集器的输出功率过低不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了振动自供能无线传感器的电源管理电路,根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配,以最大功率对储能超级电容进行充电,对能量存储和电源管理电路的充放电特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,该电路大幅度提高了采集器的输出功率和对储能超级电容充电的效率,当0.47 F超级电容电压达到0.6 V时,能量瞬间释放电路控制超级电容瞬间放电,成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。     

热电偶无线传感器节点低功耗优化设计

针对飞行器内部线缆复杂度高、布线困难的问题,提出采用无线通信模式来提高传感器部署的灵活性,减少线缆运输和安装成本;为了最大程度地延长无线传感器节点的使用寿命,对热电偶无线传感器进行了节点低功耗优化设计;硬件方面,基于DPM机制设计了能量分块管理模型,核心处理器采用国产低功耗芯片GD32E230C8T6;软件方面,提出了一种基于星型拓扑结构无线传感器网络的低功耗策略,并基于此策略给出节点剩余能量数学表达式;实验结果表明,此节点处于停机储运状态下的电流低于1μA,待机模式下的电流低于23 mA,证实了所设计的热电偶无线传感器具有低功耗、稳定的特点,能有效延长节点寿命。     

光伏供电系统在无线传感器网络中的应用

无线传感器网络中每个节点电源的有限性极大地束缚了无线传感器网路的发展;从硬件构成和软件流程等方面分析了光伏控制系统作为无线传感器网络节点能源供电的过程,着重描述了对锂离子电池充电过程的管理和保护;在电池电量计算方法上,结合供电系统的实际运行情况,将电流积分法和测量电压法相结合,提高了电池电量计算的精确度及可靠性;并结合实验情况,分析了系统供电性能的可靠性、高效性及智能化等优点。     

碳纳米管薄膜气流热电发电机性能测试分析

基于碳纳米管薄膜的热电特性,设计了一种新型的薄膜式气流热电发电机。当热气流在碳纳米管薄膜材料表面流动时,在薄膜平面内形成温度梯度,通过塞贝克效应将热能直接转换为电能。利用浮动催化化学气相沉积法制备了导电性较好的透明碳纳米管薄膜,建立了气流热电发电机实验模型,对其输出电压进行了测试。实验表明:与传统的固定热源热电发电机相比,该气流热电发电机的输出电压较高。提出了集流体动力、流固耦合换热、热电效应于一体的多物理场耦合发电机制,对该实验结果进行了解释。碳纳米管薄膜气流热电发电机容易集成加工,可解决微光机电系统的电源问题,具有广阔的应用前景和实用价值。     

升压型DC/DC MAX756应用研究

针对无线传感器网络节点的供电问题,应用升压型DC/DC MAX756设计了具有输出电压选择与电池监视功能的无线传感网络节点供电单元。给出了供电单元的原理图设计与印制电路板的设计要点;得到了供电单元的转换效率与输入电压的关系,转换效率随输入电压升高而升高,随输出电流的增大而增大;测试了供电单元的负载瞬态响应能力。结果显示,负载发生突变时输出电压有较大噪声,说明电源的滤波设计需要改进。     

生态物联网节点的风光混合能量变换系统设计

为使物联网传感器节点长期用于生态环境监测,设计了一种风光混合微能量变换系统提供节点持续电能.设计了光源自动跟踪和最大功率跟踪两种控制电路,最大程度地进行光伏能量转换;设计低输入电压的能力的升压电路以提高在低风速情况的能量采集.分析了风光混合系统电源管理的工作方式,理论推导传感节点和双轴电机工作所需能量管理的理论条件.实验测试结果表明：研究的混合微能量变换系统能够精确检测光照强度,能采集光能和风能并实时充电存储,节点可以持续工作,采集数据并实时远距离无线传输,能够满足林业生态环境的远程监测功能要求.     

无线传感器网络新型能量管理系统

研制了一种新型的能量管理电路,该电路采用4块太阳能光伏电池获取能量,其中的一块太阳能光伏电池安装在封装好的无线传感器节点的正上方,其余3块安装在3个侧面(有一个侧面安装有天线,不能安装太阳能光伏电池).在标准光强下进行实验,实验结果证实了能量管理系统对能量管理的可行性.     

基于嵌入式操作系统的无线电力监测系统设计

为了对各个用电设备或用电用户的电力使用情况进行精细化监测,从而对电力评估、管理起到基础性作用,设计了一种基于Contiki嵌入式操作系统的无线电力监测系统,以6LoWPAN作为无线通信协议;该系统由终端节点、路由节点、接入节点、GPRS模块及计算机数据中心构成;介绍了基于TV3154、TA5212及信号调理滤波网络、ADE7653电力测量、MSP430F1611主控及CC2420射频的终端节点、接入节点硬件设计方法;介绍了基于Contiki,结合6LoWPAN无线协议及I²C、UART等串口通信协议的终端节点、接入节点软件设计方法;实验结果表明,系统对电压、电流、功率的测量误差均保持在2% 以内,能够实现组网,两个节点之间的无线通信距离可达80 m。     

基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究

随着以MEMS技术为依托,结合压电效应的振动能量采集技术的日臻完善,如何利用振动能量采集器构成高效的无源无线传感节点成为近期研究热点,而能量采集器输出的电能储存控制和低功耗发射技术是实现该节点的难点。在设计出对储能电容电压具有双阈值检测与控制功能的低功耗电路基础上,给出了一种自报警、无源无线低功耗传感节点。实验表明,在频率52 Hz正弦振动、振动加速度幅值为5 gn激励下,经过125 s的能量储存,节点能够以+10 dBm功率在16 ms内完成发射及无线报警,发射距离可达1.31 km。该节点构成的无线传感网络可广泛应用于石油管线、桥梁和军事侦察等外部供电极度受限环境的现场监控等用途。     

无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

ZigBee无线传感器网络节点太阳能供电系统由太阳能电池板、充电控制电路和锂电池组成,采集光能并将其转换为电能存储在锂电池中。通过锂电池充电管理芯片CN3063组成充电控制电路对锂电池进行充电管理。利用超低功耗锂电池电压检测芯片CN301组成放电保护电路,最大限度地延长锂电池的寿命。由于电源能量来自太阳能,因此非常适合野外布置的ZigBee无线传感器网络数据采集节点使用。     

水质监测无线传感器网络节点双电源设计

针对电池供电的传感器网络节点电能受限问题,设计实现了一种新型的结合太阳能电池和锂电池供电的节点双电源供电系统。设计采用IAP15F2K612S2低功耗芯片和太阳能板、锂电池;通过软件优化节点供电,采用BQ24650电源管理芯片实现对锂电池的充电控制,以单片机IAP15F2K612S2为微处理器,监测锂电池的电压放电情况,放电控制电路经过DC/DC转换模块向负载供电。测试结果显示：采用双电源供电的节点工作周期长于单电源节点,且系统能稳定输出水质监测节点需要±12,±5,3.3 V的电压要求,实现了预期设计目标。     

无线传感器网络中一种能量有效的数据存储方法

如何有效地对传感器在过去历史时间段内采集的大量感知数据进行存储,以备将来的信息查询和数据分析已经成为无线传感器网络应用面临的一个难题.介绍了一种基于树型路由的分布式数据存储方法,通过采用动态规划方法选择存储节点,使存储节点能量均衡和所有节点能耗之和最小,从而达到整个无线传感器网络能量有效.仿真实验结果表明,这种数据存储方法能够获得较好的能量均衡和总能耗较小,从而有效地延长整个无线传感器网络的生命周期.     

高压开关触头温度无线监测系统

高压开关作为电力系统的重要设备,其稳定运行是保障电力网正常工作的必要条件。基于ZigBee无线传感器网络技术设计和实现了高压开关触头温度在线监测系统。设计并实现了无线测温网络、高压自具电源、PC监测软件。系统具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容量大等优点。     

基于感知数据概率模型的无线传感器网络采样和通信调度算法

在无线传感器网络中,如何动态地管理能量,最大限度地延长网络的生命周期是一个关键的问题。文中提出了一种基于感知数据概率模型的传感器网络的采样和通信动态调度算法,使传感器节点根据感知数据的概率模型来确定自己的采样和通信时机,最小化采样频率和通信量,减少传感器节点的能量消耗,延长传感器网络的生命期。该算法是一种分布式算法,适用于无线传感器网络。该算法采用了简单的概率模型,资源需求量小,适合于在目前普遍使用的资源受限的传感器节点上运行。模拟试验结果表明,这种方法与其他方法相比,具有很高的能量有效性。     

低功耗无线室温监测系统的设计与实现

设计了基于无线传感器网络技术的室温监测系统。该系统完成对各室内温度数据的采集、传输、存储、分析,具有低功耗、自组织特点。管理节点利用GSM网络,根据管理中心的要求发送无线传感器网络各节点温度数据及报警信息。该系统可满足供热、供冷系统对楼宇室温的监测需求。     

基于WSN节点能量补充的太阳能充电系统

由于传统的电池供电方式满足不了WSN节点能量消耗的要求,设计了一种基于WSN节点能量补充的光伏发电系统.根据四区域光电传感器采集的光照强度信息,STM32最小系统驱动控制水平方向和垂直方向的舵机,使得太阳能电池板适时获得最大光照强度.实验结果表明,采用锂电池和电容混合储能方案时,在测试条件下,可为锂电池提供的0.1A左...     

低功耗轴承温度无线检测系统的设计

提出一种基于ZigBee无线通信技术的低功耗轴承温度检测系统设计方案。通过数字化温度传感器DSl8820检测轴承温度,应用Jennic公司JN5139模块构建ZigBee无线系统,并利用其内部电源监控电路检测电压。重点介绍数据采集节点的软硬件设计和系统低功耗实现方案。经测试与实验表明,系统工作稳定可靠,持续工作时间可达半年。