论文部分内容阅读
面向农田环境监测的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），其节点功耗相对通常意义的WSN节点偏高，且节点常被部署在恶劣的野外露天环境下工作，外部能源的可供应量在不同时期差异大。为保证节点稳定工作，迫切需要研究高效、可靠、控制简单的能量供应方法，本文对此开展研究，主要创新性工作如下: 1、针对太阳能电池最大功率点追踪问题，提出一种高效太阳能电池最大功率点追踪算法。该方法使用拟合折线来表达太阳能电池在相同温度不同光照条件下最大功率点的相互关系，并加以温度补偿。利用该方法可实现开环方式太阳能最大功率点追踪，追踪效率可达98.2％～99.9％，最多可比传统的拟合法高22个百分点。 2、提出了化学电池正负脉冲充电法的实现电路。该电路在电池充电过程中，增加反向放电脉冲和间歇期，以降低充电过程中电解质中带电离子分布浓度的不均匀性，减少电池极化现象。实验测试结果表明，正负脉冲充电法充电效率可达91.3％。相对广泛应用的恒流恒压充电法，在充电效率、充电时间、电池的温升等方面均有明显改善。与同类功能电路相比，在相同的充电效率时，复杂程度大大降低。 3、提出了一种基于黄金比例分割的扰动观察法，实现闭环方式追踪太阳能最大功率点。该方法对太阳能电池最大功率点搜寻范围按照黄金比例进行分割，相对于经典的等步长扰动观察法，搜寻速度可以提高2倍，且不必预知太阳能电池的特性参数，不受太阳能电池表面污损、老化的影响。 4、提出了BUCK结构降压型直流电压功率转换器的改进和优化策略，使用可控的电子开关代替续流二极管。改进后的BUCK电路与黄金比例分割扰动观察法相结合，应用到太阳能最大功率点追踪与电压转换一体设计中。室外光照测试结果中，太阳能电池最大功率点追踪效率最高可达98.5％，与国外学者在实验室环境中评估经典扰动观察法的结果一致;电路功率转换效率68％-93.5％，比国际同行近年来发表的WSN节点太阳能供电方案高出3.5（高光辐照度条件下）到50(低光辐照度条件下)个百分点。 5、提出了一种基于BUCK-BOOST结构的双向电流流动电路，实现充放电能量流动与分配管理。该方案能依据太阳能电池的输出功率和节点消耗功率大小关系，调节蓄电池的充放电动作及其电流大小。实验表明，该电路的能量分配效率高于99％。 6、设计了结合太阳能电池、超级电容、磷酸铁锂电池的能量供应系统。集成了该系统的WSN节点实地部署于河南省鹤壁市，执行农田环境长期监测任务。论文给出了节点连续工作一年来所获取的传感器数据的变化曲线，验证了节点能量供应及节点系统集成的有效性和实用性。 论文对面向农田环境监测的WSN节点能量供应的能量获取、电压转换、能量存储及释放各个环节中面临的问题进行了深入分析，并提出了相应的解决方法。在实验室验证、室外测试基础上，论文提出的一体化方案，成功应用于实际观测任务中，取得了良好的应用效果。论文所述方案，易实现、效率高，可供同行参考，具有推广应用价值。