本文選題：自供能 + 自適應動態(tài)電壓調(diào)節(jié)��； 參考：《中國地質(zhì)大學》2015年博士論文

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡已在多個領域發(fā)揮了重要的作用,但在煤礦井下的應用并不順利,很多研究仍然停留在實驗室階段,其主要原因是能源供給問題,主要表現(xiàn)在以下兩個方面：(1)無線傳感器供電方式：無線傳感器利用電池供電,然而電池卻有壽命周期,而使用傳統(tǒng)的有線供電方式則失去了無線傳感器的靈活性,且大大增加了成本；(2)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點對能量的需求大：由于節(jié)點擔負著數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的任務,自身的功耗過大,所需能量也大,此時傳感器節(jié)點有限的能源變得至關重要,當能量的需求脫離有線供電的時候,這一問題尤為突出。所以,需要研究井下自供能系統(tǒng),將井下的自然資源轉(zhuǎn)化成微能量為優(yōu)化后的低功耗無線傳感器節(jié)點供電,保證其正常工作。目前,國內(nèi)外還沒有關于井下無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)自供能功耗優(yōu)化關鍵問題的相關研究報道,本文針對井下復雜環(huán)境內(nèi)無線傳感器的供電問題、井下電磁環(huán)境中的節(jié)點設計匹配問題、節(jié)點的能耗管理與優(yōu)化問題,從開源和節(jié)流兩個方面分別進行較為系統(tǒng)的研究,具體的研究工作如下：首先,對井下能量資源進行了具體分析,找到了適合為井下WSN節(jié)點供電的振動能和風能。本文通過實驗對各種環(huán)境能量的特點、功率大小進行測試,測試結(jié)果顯示,井下可以利用的環(huán)境能量主要有溫差能、噪聲能、電磁能、振動能和風能。但是,由于井下溫度基本恒定,最大溫差為4攝氏度左右,溫差過小,所以利用溫差發(fā)電不適合井下；由于井下設備在生產(chǎn)過程中的機械摩擦振動等會產(chǎn)生大于90分貝的噪聲,且該能量在生產(chǎn)過程中持續(xù)存在,符合噪聲發(fā)電的要求,但是由于噪聲是伴隨生產(chǎn)所產(chǎn)生的,當生產(chǎn)停止時,噪聲就無法產(chǎn)生,并且噪聲能量的轉(zhuǎn)化技術不成熟,且輸出穩(wěn)定性差,因此不符合能量轉(zhuǎn)化要求；煤礦井下的電磁場從電磁輻射角度來看符合發(fā)電的需求,但由于目前技術成熟的煤礦井下很多電纜都是金屬鎧裝的,這樣大部分電磁能量被屏蔽了,因此不符合發(fā)電的要求；井下機電設備運行時均會有振動產(chǎn)生,且在工作面和井下硐室中振動相當普遍,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),該能量可以滿足井下硐室及開采面的能量采集；同時井下本身有強制通風的需求,風速穩(wěn)定,方向性單一,且風力發(fā)電結(jié)構簡單,所以可以為井下大部分無線傳感器設備提供電源。其次,在上述實驗測量的基礎上,對井下風能自供電WSN節(jié)點的能量供給單元進行了深入研究,重點解決了兩個問題：在減少發(fā)電機自身功耗的基礎上進行最大功率點追蹤和匹配后端的WSN節(jié)點負載。具體的,對于運行在低風速且空間有限的微型風力發(fā)電系統(tǒng),風力發(fā)電機產(chǎn)生的電壓峰值為1-3V,傳統(tǒng)的二極管此時不能滿足這種環(huán)境,本文提出用MOSFET替換傳統(tǒng)的二極管,以實現(xiàn)在非常低的電壓中提高DC-AC的轉(zhuǎn)換效率；為了提高發(fā)電機的發(fā)電效率,本文采用一種新的MPPT方法,其原理是控制有效的負載阻抗,計算風力發(fā)電機內(nèi)部的源阻抗,以實現(xiàn)源和負載之間良好的阻抗匹配,使收集的電能總處于其運行風速的最大值；在此基礎上,采用改進型自適應滑�？刂评碚撎岣進PPT的響應速度及質(zhì)量,測試結(jié)果顯示,當系統(tǒng)采用滑�？刂扑惴〞r,可以對最大功率點進行有效追蹤,就算風速有所變化,系統(tǒng)依舊能夠?qū)ψ畲蠊β庶c進行迅速追蹤。這種算法與其他情況相比,最主要的特點是穩(wěn)定后的系統(tǒng)在追蹤到最大功率點時波動非常小；最后,將自適應電壓調(diào)節(jié)技術的超低功率管理策略應用于井下WSN節(jié)點,利用閉環(huán)控制的方法靈活調(diào)整內(nèi)核處理器的電壓,使其對整個電路進行監(jiān)控管理。實驗結(jié)果顯示在模擬礦井的風速下,風力發(fā)電機收集的轉(zhuǎn)化效率從2.5%提高到9.6%,自適應電壓調(diào)節(jié)技術能降低節(jié)點64%的能耗,其產(chǎn)生的能量能夠滿足驅(qū)動無線傳感器的需要,并且附加的能量保障模塊(電池或超級電容)充電系統(tǒng)工作正常,滿足了項目中對能量來源的設計需求。再者,為了彌補井下風能的不足,根據(jù)井下設備的振動特點,本文構建了適合井下使用的壓電陶瓷換能器機電模型。根據(jù)現(xiàn)有研究推導出了壓電陶瓷片在壓力載荷作用下獲得的可用電能公式,以及在具體邊界條件、壓電覆蓋條件和電極條件下電流和電壓的表達式；同時,為了提高壓電能量轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率,本文對電阻阻抗匹配的方法進行了研究,通過改變傳感器輸出阻抗的方法來控制電流并進行仿真,仿真結(jié)果表明,如果多層換能器的最佳阻抗下移40倍,則輸出功率是生成功率的兩倍。利用這一結(jié)果,對采集電路進行了優(yōu)化設計,使其可以調(diào)節(jié)換能器的負載阻抗,增大輸出功率及輸出電流。同時,通過振動發(fā)電點亮LED燈陣,以及給超級電容充電實驗。實驗結(jié)果顯示,當阻抗不完全匹配時,能量損失幾乎達到50%。在此基礎上,提出在理想負載條件下實現(xiàn)無能量損失最大功率壓電換能器電路,該電路假設輸出阻抗為50Ω,利用這一參數(shù),通過對壓電換能器輸入和輸出的信號進行測量,結(jié)果顯示,其轉(zhuǎn)化效率峰值為95%。通過上述的仿真和實驗可以充分顯示,該種能量收集方法完全滿足井下無線傳感器供電要求。同時,鑒于井下環(huán)境能量比較微弱。本文對通信的頻段、天線參數(shù)和通信效率進行了改進和優(yōu)化,降低自供電模塊的負載,實現(xiàn)節(jié)流的目的。通過對WSN節(jié)點功耗進行優(yōu)化,仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),發(fā)射天線的能耗在WSN節(jié)點整體能耗中占據(jù)相當大的比例,選擇合適的頻段及天線可以降低其能耗。煤礦井下機電設備眾多,電磁波在井下的傳輸也跟地面不同,本文首先采用時域和頻域聯(lián)合測量的方法,對井下煤礦進行電磁干擾實驗研究。結(jié)果顯示,井下電磁輻射無論是低頻、高頻還是瞬態(tài)干擾,干擾主要集中在500MHz以下；同時,利用礦井巷道中頻率資源的優(yōu)勢,建立了礦井巷道寬帶電磁波傳播統(tǒng)計模型,研究了不同頻點的寬帶電磁波沿礦井巷道傳輸時的衰落、時延擴展特性以及巷道的截面、彎曲等對這種特性的影響：研究了使用有限元方法求解有損介質(zhì)理論所需要解決的問題,提出巷道的表面阻抗概念,并根據(jù)巷道的實際條件計算出巷道有損介質(zhì)波導的邊界條件；利用有損波導理論的數(shù)值解修正經(jīng)典理論的解析解近似誤差,提出修正公式,建立礦井巷道寬帶電磁傳播統(tǒng)計信道模型。為了驗證礦井巷道的信道特性以及調(diào)制技術對無線通信性能的影響,在非煤礦進行了井下實際測試。具體測試在802.11b/g WLAN通信標準下,2.4G載頻數(shù)據(jù)包的通信性能,根據(jù)測試結(jié)果及理論得出了井下低功耗WSN節(jié)點的最佳工作特性及天線參數(shù)。最后,在天線能耗優(yōu)化的基礎上,為了進一步降低無線傳感器節(jié)點的功耗,本文提出了一種傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)壓縮算法。對無線傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮處理,在保證數(shù)據(jù)特征不變的前提下,減少了傳輸?shù)淖止?jié)長度。同時,根據(jù)壓縮感知理論本文又提出一種新的基于CS的優(yōu)化解碼方案,將編碼端的DCT視為對原始信號的觀測,利用全變分(TV)將信號稀疏化,將量化噪聲看作觀測噪聲,從而將信號解碼轉(zhuǎn)化為CS優(yōu)化重建問題,從而利用CS精確重建代替反DCT變換。在此基礎上,提出基于塊合并的CS優(yōu)化解碼進一步提升解碼質(zhì)量。實驗結(jié)果顯示,該方案在解碼信號的主客觀質(zhì)量上相對傳統(tǒng)解碼有顯著提升。同時,根據(jù)礦井巷道環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的要求,并結(jié)合設計的無線傳感器網(wǎng)絡的特點和結(jié)構,本文提出了基于環(huán)境能量的無線傳感器網(wǎng)絡礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),并根據(jù)礦井巷道的不同情況給出了相應的解決方案。本研究在煤礦井下的推廣應用,將真正實現(xiàn)礦井環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡的無線化和智能化,為礦井安全生產(chǎn)和精確管理提供技術保障,具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。同時,本文研究綜合了綠色能源技術、信息技術和煤礦安全生產(chǎn)及自動化技術,均是國家重點支持和大力倡導的技術領域,符合國家產(chǎn)業(yè)政策。
[Abstract]:The wireless sensor network has played an important role in many fields , but the application of wireless sensor is not successful . Many researches remain in the laboratory stage . The main reason is the problem of power supply : ( 1 ) Wireless sensor power supply mode : Wireless sensor uses battery to supply power , but the battery has life cycle , while using traditional wired power supply mode , the flexibility of wireless sensor is lost , and the cost is greatly increased ;
( 2 ) The demand of wireless sensor network node to energy is big : because the node takes the task of data collection and transmission , its power consumption is too large , the energy required is too large , and the problem of energy consumption management and optimization of wireless sensor network ( WSN ) is studied .
Due to the mechanical friction vibration and the like of the underground equipment during the production process , the noise of more than 90 dB is generated , and the energy is continuously present in the production process and meets the requirements of noise power generation , but noise cannot be generated when the production is stopped due to noise , and the conversion technology of the noise energy is not mature , and the output stability is poor , so that the energy conversion requirement is not met ;
The electromagnetic field in the coal mine meets the demand of power generation from the perspective of electromagnetic radiation , but because many cables under the current technology mature coal mine are metal armored , most of the electromagnetic energy is shielded , so that the requirement of power generation is not met ;
During the operation of underground mechanical and electrical equipment , vibration is generated , and the vibration is quite common in working face and underground chamber , and it is found that the energy can meet the energy collection of underground chamber and mining face ;
Meanwhile , on the basis of the above experimental measurement , the energy supply unit of the self - powered WSN node for the underground wind energy is further researched , and two problems are solved .
In order to improve the power generation efficiency of the generator , a new method is adopted in this paper . The principle is to control the effective load impedance and calculate the source impedance in the wind power generator , so as to realize the good impedance matching between the source and the load , so that the collected electric energy is always at the maximum value of its operating wind speed ;
On the basis of this , the improved adaptive sliding mode control theory is adopted to improve the response speed and quality . The results show that when the system adopts the sliding mode control algorithm , the maximum power point can be traced effectively , even if the wind speed is changed , the system can track the maximum power point .
Finally , the ultra - low power management strategy of self - adaptive voltage regulation technology is applied to WSN nodes . The voltage of the core processor is flexibly adjusted by closed - loop control method . The results show that the efficiency of the wind driven generator is improved from 2.5 % to 9.6 % . The results show that the energy consumption can be reduced from 2.5 % to 9.6 % . In order to compensate for the shortage of underground wind energy , the electric energy formula which is obtained under the influence of pressure load is derived , and the expression of current and voltage under the conditions of specific boundary condition , piezoelectric covering condition and electrode condition is deduced .
At the same time , in order to improve the conversion efficiency of the piezoelectric energy converter , the method of resistance impedance matching is studied . By changing the output impedance of the sensor , the current is controlled and the simulation results show that the energy loss is almost 50 % when the optimum impedance of the multi - layer transducer is 40 times .
At the same time , using the advantages of frequency resources in mine tunnel , a statistical model of broadband electromagnetic wave propagation in mine tunnel is established . The influence of broadband electromagnetic wave at different frequency points along the mine tunnel is studied . The influence of the broadband electromagnetic wave in different frequency points along the mine tunnel is studied . The problem that the finite element method is used to solve the theory of lossy media is studied , the concept of surface impedance of the tunnel is proposed , and the boundary conditions of the tunnel are calculated according to the actual conditions of the tunnel .
In order to verify the channel characteristics of the mine tunnel and the influence of modulation technology on the performance of wireless communication , this paper proposes a new method of wireless sensor network mine environment monitoring based on block combination . In order to reduce the power consumption of wireless sensor nodes , this paper proposes a new method of wireless sensor network mine environment monitoring based on block combination . At the same time , based on the theory of compression perception , this paper proposes a new method for wireless sensor network mine environment monitoring .
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD611

【參考文獻】

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本文編號：2084144