无线传感器网络电源电路优化改进方法.pdf

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 Engineering（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=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，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 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54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有无线传感器网络节点的设备，在单片机开发的 C 语言集成开发环境下，硬件配置为 3.20GHz的CPU和4.00 GB 内存的 PC 机，软件配置为Windows7SP1 操作系统，运行环境为 Visual Studio2010。利用NS2网络仿真软件进行无线传感器网络仿真，实现无线传感器自动生成与可视化操作。实验采用集成电路充电管理芯片，型号为ML2496，具有铅酸电池充电管理的功能。二极管D1、D2、D3 可采用肖特基二极管 MBR8045，该器件具有较低的导通压降。PMOS 管采用 International Rectifier 公司的 2N6851。设置无线传感器网络电源电路测试环境的网格结构，调整网络内部地址与传感器节点。在测试环境下，搭建小型无线传感器网络，将电源管理电路的数据汇聚到一起，安装数据接收配置。对无线传感器电源电路的MPPT充电效果进行测试，采用集成充电管理的方式，对电池板的充电电流进行调节。控制实验中的环境温度，保证电路中的充电电流能够达到传统充电电流的4倍。结合电池板的具体输出能量，跟踪记录电源电路超级电容的变化状况。设置无线传感器的ZigBee节点连接方式，采集电源电路数据，根据串口传输方式，对无线传感器电源电路的管理设置电路参数。根据传感器的输出功率，调整电源电路的性能，优化功率的输出效果。实时监控实验环境的变化，根据环境振动变化改变电流的输出功率。优化整流电路的参数设置，调整控制参数变化的电子组件，对电路元器件的参数执行优化模块命令，使无线传感器网络电源电路满足优化改进指标的设计要求与规范。根据优化的目标参数要求，设置电源管理电路的迭代次数，进行10次电路模拟操作，获取网络电源电路中电压的变化情况，如图3所示。图3无线传感器网络电源电路电压变化第 3 期仲霞莉，等：无线传感器网络电源电路优化改进方法55第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）由图1可以看出：在10次网络电源电路模拟实验中，电路电压在4 s时间内趋于平稳状态，电源电压持续保持在4 V，达到了电源电路稳定运行的要求。这是由于本文的方法设置了负载与电容的供电方式与电压幅值，改变无线传感器正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。2.2实验结果分析为了使实验结果更加清晰，本文设置了与传统的无线传感器网络电源管理电路方法的电源效率对比实验。由于各节点的电源是互相独立的，为此设定无线传感器网络节点为6，设置本文设计的无线传感器网络电源电流优化改进方法为实验组，传统的电源管理电路方法为对照组，对比结果如表2所示。表2两种无线传感器网络电源电路电源效率对比%节点123456实验组96.5195.4296.3197.8598.4594.34对照组81.3083.1482.4680.2480.1680.46由表2可知：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，传统方法的电源效率为84%以下，本文设计的无线传感器网络电源电路优化改进方法的电源效率较高，更加具有优势，更加适用于无线传感器网络电源电路的管理工作。本文所设计的方法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，综合考虑每一路电源效率的运行影响因素。3结语本文提出的无线传感器网络电源电路优化改进方法，能够提供稳定的电源电压输出，其设计指标满足无线传感器基本性能指标要求。经过实验证明，本文设计的优化改进方法整体运行性能较好，电源的运行效率更加具有优势。但是，本文在无线传感器网络稳压模块方面的研究仍然存在一定的不足，网络稳压模块仅可接收 3 种传感器类型，在未来的研究中，应当进一步改进。参考文献1黎水平，程家豪.基于风能收集的自供电无线传感器网络节点设计 J.数字制造科学，2020，18（4）：306-310.2余刃，谢旭阳，秦法涛，等.一种用于旋转设备运行状态无线监测的智能无线振动传感器设计 J.核动力工程，2020，41（3）：221-226.3邹蕾，谭建军，鄂翔宇，等.基于无线传感器网络的超洁净电源设计与应用 J.现代电子技术，2020，43（2）：124-127.4 黄林.基于模块化的数字电路优化设计研究 J.科技创新与生产力，2020（1）：64-66.5路子翔，李开宇，李磊，等.基于UC3843的输出可调开关电源设计 J.自动化与仪表，2019，34（6）：105-108.6田青，常龙鑫，王恬，等.多供电方式的无线传感器网络电源电路 J.电子设计工程，2019，27（6）：96-99.7白宏图.基于CC2530的无线传感器网络节点设计 J.电子设计工程，2019，27（5）：147-150.8杨磊，杨晓辉，吴越，等.基于改进猫群算法的分布式电源优化配置 J.电力系统保护与控制，2019，47（1）：95-100.9陈树成，李晓波，崔明，等.基于CC2530和SIM900A的无线传感器网络设计 J.电子设计工程，2018，26（17）：121-125.10 罗孝兵，华涛，蓝彦，等.基于多级多路径控制的无线传感器电源管理方法 J.测控技术，2018，37（4）：64-67.56Improved Method of Power Circuit Optimizationin Wireless Sensor NetworksZHONG Xiali1,FENG Yixin2,OU Meiji1（1.Department of Information and Media,Hefei Gongda Vocational and Technical College,Hefei 230000;2.Anhui Meteorological Information Center,Hefei 230000,Anhui Province）Abstract：Aiming at the shortcomings of traditional wireless sensor network power supply circuit in thestorage and distribution of current energy,an optimization and improvement method of wireless sensor networkpower supply circuit is proposed.Firstly,the optimal configuration model of power supply circuit is constructedto obtain the constraint balance power index of network nodes.Secondly,the topology of network power supplycircuit is designed according to the types of network power switches.Thirdly,all the power networks in thesensor are labeled,and dual lithium batteries are used to power the sensor network node management circuit isdesigned.Finally,according to the characteristics of pulse width and pulse frequency,the modulation mode ofswitching power supply is optimized.The experimental results show that the power efficiency of the wirelesssensor network power circuit designed in this paper is more than 94%.Keywords：Wireless sensor;Network;Power supply circuit;Power efficiency第 3 期仲霞莉，等：无线传感器网络电源电路优化改进方法（上接第39页）Research on Integration of Anti-freezing and Anti-crosswindof Cooling Tower of 600 MW UnitYANG Jiasen1,PAN Honggang1,CHEN Ping2,JI Aiyu3,ZHAO Shuai1（1.College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;2.Operation Department,Dalate Power Plant,China Huaneng North United Power Co.,Ltd.,Ordos 014300,Inner Mongolia;3.Liaoning Changxin Engineering Technology Co.,Ltd.,Kaiyuan 112300,Liaoning Province）Abstract：Taking the natural ventilation cooling tower of a 600 MW unit in northern China as the researchobject,a new type of air inlet device is designed.The influence of the device on the thermal performance of thecooling tower under different environmental conditions in different seasonsis studied by numerical simulation.The results show that in winter,it can prevent icing at the bottom of the towerwhen the ambient temperature is266.15 K,261.15 K and 258.15 K respectively under the 1.5 m/s wind speed,the number of layers of air baffleto be hung by the air intake device is 1,4 and 5 respectively.In other season,adjusting the wind deflector into adiversion structureto prevent crosswind problems can effectively reduce the cooling towers exit tower watertemperature,and the cooling effect of the air inlet device is the best when the ambient temperature is 11.Keywords：Cooling tower;Air inlet device;Antifreeze;Diversion;Crosswind57