无线传感器网络电源电路优化改进方法.pdf
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1、收稿日期:2022-12-06基金项目:2020年安徽省质量工程项目(2020sjjd102)作者简介:仲霞莉(1991-),女,江苏泰州人,讲师,硕士。无线传感器网络电源电路优化改进方法仲霞莉1,冯乙新2,欧美极1(1.合肥共达职业技术学院 信息与传媒系,安徽 合肥 230000;2.安徽省气象信息中心,安徽 合肥 230000)摘要:针对传统的无线传感器网络电源电路在电流能量的存储与分配方面存在的不足,提出了无线传感器网络电源电路优化改进方法。首先,构建电源电路优化配置模型,获取网络节点约束平衡功率指标;其次,结合网络电源开关种类,设计网络电源电路拓扑结构;再次,对传感器中所有的电源网络进
2、行标号处理,采用双锂电池供电,设计传感器网络节点管理电路;最后,根据脉冲宽度与脉冲频率的特点,共同优化改进开关电源的调制模式。实验结果表明:本文设计的无线传感器网络电源电路的电源效率为94%以上。关键词:无线传感器;网络;电源电路;电源效率中图分类号:TN710.2文献标识码:A文章编号:1673-1603(2023)03-0052-06DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2023.03.010第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang Institute of Eng
3、ineering(Natural Science)目前,越来越多的行业应用无线传感器网络技术,使网络电源电路的节点功能不断增加1。无线传感器网络电源电路的工作原理包括电源管理系统中能量流动原理、功率跟踪原理及充电原理2。电源电路中的能量流动控制主要通过管理开关元件的导通与关断功能,实现能量流动方向控制与引导的目标3。在电路管理中,根据无线传感器网络电源电路能量流动类型的不同,分为能量流动负载模型和电源模型4。在电源管理电路中包括两种负载,分别为电池和电路节点5。电路的输出能量在为铅酸电池充电的同时,还能为超级电容充电,保证了无线传感器负载电路的稳定运行6。在电源管理电路中,超级电容作为能量缓存
4、单元,对输出能量控制起到了重要的作用7。能量流动负载模型根据负载种类的不同,分为单负载模型和双负载模型两种,这两种模型在超级电容缓存运行中存在一定的差异8。当无线传感器网络电源电路为节点供电时,管理电路的开关通过导通作用调节电流9。在电流能量的存储与分配方面,传统的无线传感器网络电源管理电路方法无法实现电路中通断状态的实时调节。因此,本文提出了无线传感器网络电源电路的改进优化方法。1无线传感器网络电源电路优化改进方法设计1.1构建电源电路优化配置模型首先要根据电源电路的分布特点选取目标函数,构建电源电路优化配置模型。本文采用电源电路中的有功网络损耗作为目标函数的判定指标,目标函数表达式为PL=
5、Nbk=1Gk()Ui+Uj-2UiUj2Ri(1)式中,PL为电源电路中的有功网络损耗;Nb为电路的支路数量;Gk为支路k的电导;Ui为电路节点i的电压幅值;Uj为电路节点j的电压幅值;Ri为电路电阻。根据电路的有功网络损耗表达式,获取电路中节点功率的平衡约束关系,表达式为Pi-ei()Gijej-Bijfj+fi()Gij+Biej=0(2)Qi-fi()Gijej-Bijfj-ei()Gijfj+Bijej=0(3)式中,Pi为节点i的输出功率;Qi为节点i的注入总功率;e、f分别为电压的传输导纳系数和节点频率;Bij为节点总数;Gij为分布式电源的有功输出。根据节点功率的约束关系表达式
6、,可以得到电源电路中节点电压的约束关系:Uimin Ui Uimax(4)式中,Uimin、Uimax分别为无线传感器网络电源电路中节点的电压极值。通过电源电路优化配置模型的目标函数、约束电路中节点功率及电压的极值变化,限制电路的传输功率与装置总容量10。1.2设计网络电源电路拓扑结构基于上述模型,设计网络电源电路的拓扑结构,如图1所示。图1网络电源电路在开关电源技术快速发展的趋势下,网络电源开关的种类越来越多,电路的拓扑结构也越来越复杂。采用Buck-Boost拓扑结构,再结合隔离变压器的调节控制作用,生成电源电路中常用的变换器。开关稳压电源与开关降压电源串联,将电源电压进行有功转换,控制晶
7、体管的导通与关断时间,从而调节输出电压。该电路用于无线传感器网络的电源电路,其中包括电容和负载。当无线传感器上的电流没有达到饱和状态时,增加输出电流以保证负载上的电流值稳定变化。通过反向截止输出功率的变化,控制电感电流值稳定不变,调节无线传感器两端的电压极性。设置输出电压与电流的极值,将无线传感器二极管电流的传输方向进行反向改变,在二极管导通工作开始时,电感电流被设置为网络电源电路提供通路,并且充当无线传感器电路中的续流二极管。控制电压的脉冲信号,将电路中的低电压调节为高电压输出模式,使无线传感器的电感线圈电流呈线性增加状态。将控制电流输入到无线传感器中,设置负载与电容的供电方式及电压幅值,改
8、变无线传感器阳极与负极之间的连接方式,使电容与负载的工作状态为反向截止状态。基于无线传感器电感的磁场作用,调节电感两端的电压极性,与输入端电压共同为负载和电容提供电能。分析无线传感器电路的运行方式与运行过程,将电容两端的充电电流调整为0,当电路的输出电压发生改变时,将电容的充电电流调节为稳定输出的状态。在Buck-Boost变换器中安装信号配件并与变换器组成串联电路,等效简化处理后生成电源电路,释放电荷。调节输入环路与电源输出环路的工作状态,为电路的负载提供能量。电源电路中的变换器具有变压器隔离的功能,在结构上包括全桥式与半桥式结构,两种结构均具有较高的可靠性,广泛应用于无线传感器网络电源电路
9、输出功率为5 W40 W的情况中。当无线传感器为导通工作状态时,控制变换器输入直流电压,增加变换器的绕组,使一次绕组产生的感应电压被反向截止,此时变换器二次绕组产生的感应电压使输出环路呈现闭合状态,电容与负载能够获取输入电流的能量。当无线传感器为截止工作状态时,变换器绕组内存储的大部分能量会出现回流的现象,返回到原始的输入电源中,此时无线传感器第 3 期仲霞莉,等:无线传感器网络电源电路优化改进方法53第 19 卷沈阳工程学院学报(自然科学版)电感的电压极性会出现反转,电容与负载在续流二极管的导通作用下,持续获取电源的能量,保证无线传感器网络电源电路的稳定运行。1.3无线传感器网络节点管理电路
10、设计无线传感器网络节点作为电源电路中的重要组成部分,能够保证电路在网络节点稳定运行的情况下,自动管理与调节网络电源电路。在无线传感器网络节点管理电路的设计中,首先确定网络工作的器件具有电路运行所需的电源电压,实时跟踪记录无线传感器网络电源电路中电池的最大运行功率,对电池的充放电功能进行管理。在电路使用双电池时,对电池充放电电路进行切换管理,合理调节供电回路的运行方式。设置无线传感器网络节点管理电路的电池保护模块,对传感器中所有的电源网络进行标号处理,如表1所示。表1无线传感器电源网络标号说明编号123456标号处理VDD 5.2 VBattery1Battery2VDD 12 VVDD 4.5
11、 VVDD 3.5 V具体说明电源电路中芯片对电池充电时输出的最大电压电源电路电池1电源电路电池2无线传感器网络总线电源电压无线传感器采集电路与传感器运行所需电源电压电源电路未经过电流采样前的供电电压根据表1对无线传感器网络节点的管理电路进行相应的设计。无线传感器网络节点管理电路如图2所示。图2无线传感器网络节点管理电路本文设置了3路无线传感器网络节点电源支路,分别为3.5 V、5 V、10 V电源,供给无线传感器采集电路、微处理器、总线传感器使用。综合考虑每一路电源效率的运行影响因素,调节电源电路的开关电源并设置为高频运行模式,无线传感器内部开关的频率不小于1.25 MHz。在网络节点管理电
12、路中使用升压芯片,控制电源效率与稳定性。基于外部传感器的负载供电方式,控制升压芯片自身的开关,避免无线传感器网络电源电路出现短路的情况。无线传感器网络节点的电源部分往往采用不同类型的供电方式。在无线传感器网络节点电路设计中,采用双锂电池供电,设计输出隔离电路以保护电压转换电路的安全,在电路运行中,实时切换电路,保证一个电池处于供电状态,另一个电池处于充电状态,以保持传感器网络节点的电源电路的稳定性。结合 NMOS管的控制保护作用,实时监控电池电压的变化,当电池电压过大时,自动关断NMOS管,此时电池只能工作在放电状态。在传感器网络节点电路中,基于双锂电池功率消耗较低的原则,设置供电切换开关控制
13、网络节点电路的通断,保证电池在传感器网络节点管理电路中具有可靠的性能。确保电路的输入端电源稳定,当无线传感器的电压过低时,触发器的输入引脚会发生相应的脉冲变化,触发器出现翻转的现象,此时电池能够实现自动切换,减少电池电量的消耗。根据无线传感器采集电路的运行模式,设计可接收传感器对应的类型。本文设计的无线传感器网络电源的数据采集电路能够在同一时间内接收6路传感器。因此,在优化改进无线传感器网络电源电路设计中,可接收传感器类型包括 3 种,分别为 2 路电阻型传感器、差分型电压输出传感器及4路电压传感器,每一种可接收传感器均能够与电流环输出传感器建立连接。在无线传感器网络节点管理电路的设计中,调5
14、4节电路中的电桥,降低相邻网络节点的电势差,在基于电桥桥臂电阻值变化的情况下,适当地增加与减少电阻,保持网络节点管理电路中电桥的平衡。1.4优化开关电源的调制模式基于上述的无线传感器网络节点管理电路设计,对开关电源的调制模式进行相应的优化改进。根据上述设计的网络电源电路拓扑结构,加入DC-DC转换电源,共同构建无线传感器网络电源控制电路。根据控制电路具体的导通与截止效果,为了保证电路中负载符合直流电压的设计标准,本文优化改进的开关电源调制模式分为3种,分别是针对脉冲宽度、脉冲频率及传统的混合调制模式进行的优化改进。通过实时反馈输出电压的变化情况,调整驱动信号的占空比并利用误差放大器放大处理开关
15、电源的采样电压,以控制脉冲调制器的工作时间。设置输出信号的脉冲宽度保持不变,调整信号的振荡频率,使脉冲宽度调制器处于固定频率变化状态。根据控制逻辑单元的工作原理,改变脉冲信号的运行频率,通过变压器的变压隔离作用,控制脉冲信号的频率变化。开关电源的混合调制模式主要通过调节脉冲信号的导通时间来稳定信号的输出电压,主要应用于输出功率较小的开关电源中。根据无线传感器网络电源电路的实际运行状况,选择匹配的开关电源调制模式,能够稳定提高电路的电源效率与输出功率。2仿真实验为了检验本文设计的无线传感器网络电源电路优化改进方法的可行性,进行仿真实验。2.1实验过程本次实验选择具有无线接入功能的网关抓包工具与具
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