正交試驗方法在輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)的應(yīng)用

林杰新 洪曉斌

（1.中國電信股份有限公司廣東研究院 2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院）

1 引言

機動車運行安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是保證機動車安全行駛的主要手段，采用該技術(shù)對機動車運行安全狀態(tài)和運行指標進行動態(tài)監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防機動車故障。發(fā)展監(jiān)測、控制、管理和決策于一體的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，對機動車安全運行具有重要意義[1]。

目前，輪載式智能傳感是機動車運行安全檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而當前機動車上輪載式智能傳感器供電方式一般采用外接小容量電池，如 1.5V/節(jié)等，存在對車載智能傳感器難以持續(xù)而穩(wěn)定的供電，需要定時拆卸更換電池等問題，更重要的是供電量下降直接影響到相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)的準確性和傳輸，這已成為機動車輪載式智能監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此機動車輪載式智能傳感系統(tǒng)采用自供電方式將成為一種有效方法[2,3]。論文在前期基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)[4]，發(fā)射端和接收端在規(guī)定的間距下，難以達到所要求的輸出功率，其中RLC優(yōu)化組合是關(guān)鍵[5]。因此，本文引入正交試驗方法，研究RLC最優(yōu)組合。

2 基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)

本文基于前期研究工作的基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)了一種基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自供能系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由接收端、發(fā)射端、監(jiān)控終端三部分組成，通過電感耦合的方式由安裝在車輪附近的發(fā)射端給安裝于輪轂上嵌入多類型傳感器的標簽接收端實施無線供電，同時在接收端上應(yīng)用超級電容進行儲電，利用RFID技術(shù)實時反饋接收端傳感器數(shù)據(jù)和超級電容相關(guān)參數(shù)到發(fā)射端，并實現(xiàn)在發(fā)射端停供電情況下，接收端依然能根據(jù)需要檢測和發(fā)射數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)射端通過Zigbee（無線通信）方式向駕駛室的監(jiān)控終端傳輸檢測數(shù)據(jù)，最終基于GPRS實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)總體監(jiān)控模式。其特征有：① 車輪附近的發(fā)射端與飛速旋轉(zhuǎn)的車輪輪轂上的接收端實現(xiàn)持續(xù)有效的無線供能，接收端將數(shù)據(jù)無線反饋到發(fā)射端。發(fā)射端與監(jiān)控終端通過Zigbee方式相互聯(lián)系，實現(xiàn)檢測與控制的功能；各監(jiān)控終端與遠程監(jiān)控管理服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，最終形成一個整體監(jiān)控的車聯(lián)網(wǎng)體系；② 發(fā)射端通過變壓、振蕩后得到一定的頻率以實現(xiàn)電感耦合；接收端采用整流、濾波、穩(wěn)壓等電路后，可給標簽電路和傳感器在線供電，同時利用超級電容將電能儲存起來；③ 實現(xiàn)對超級電容電壓在線識別，超級電容儲存電能達到2.7V，并因故障或者發(fā)射端斷電無法給接收端傳輸電能時，超級電容可為電路暫時提供電源。標簽電路中機動車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線射頻方式反饋到發(fā)射端。

3 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，是解決多因素實驗問題的有效統(tǒng)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。通過對正交實驗結(jié)果分析，可以確定各因素及其交互作用對實驗指標影響的主次關(guān)系,用比較少的實驗次數(shù)獲得最優(yōu)或較優(yōu)的一組方案，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。

本實驗通過正交試驗選擇最優(yōu)的 RLC組合，以達到輸出端功率的最大化。試驗涉及發(fā)射端的電阻、電感、電容，以及接收端的電感、電容的選擇。由于在頻率一定的條件下，電容和電感成一一對應(yīng)的關(guān)系，即電容確定時電感也就確定了。自供能系統(tǒng)發(fā)射端頻率為 125kHz，所以，實驗因素確定發(fā)射端的電阻A、電容B以及接收端的電容C，考慮到系統(tǒng)實際條件，各因素選為3水平，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

而根據(jù)電感所能承受的最大電流可以得到電阻取值在0?～100?之間，實驗取值為1?、10?、47?，發(fā)射端電容因素 B的水平選擇為 472pF、47kpF和10kpF，接收端電容因素C的水平選擇為47kpF、10kpF和472pF。而試驗的評價指標則為接收端的輸出電壓，電壓越大則效果越好，因此選用試驗次數(shù)少的正交表L9(34)即可滿足要求，如表2所示。

表2 L9(34)正交表

4 實驗過程與注意事項

本實驗的目的在于選擇最優(yōu)RLC組合，因此接收端的負載是在 MC34063A的降壓電路輸出后用1k?的電阻作為分壓，加上一個LED燈作為負載，從而提升接收端供電效果的視覺顯示。實驗過程中，發(fā)射端與接收端距離不需要改變，設(shè)定為3cm的固定距離，電路的諧振頻率設(shè)定為125kHz的低頻率。

由表2可知，本次試驗要進行9次測試，具體過程可分為三個步驟：① RLC元件的準備及分組搭配。試驗前必須根據(jù)計算得出的數(shù)值提前制作好所需線圈，同時根據(jù)正交表，將9次試驗的元件分組搭配好；② 按照正交表的順序依次進行試驗，每一次試驗中元件的變更，需要注意避免電路板上焊盤的脫落；③仔細測量并記錄數(shù)據(jù)。準確的數(shù)據(jù)是試驗合理分析的關(guān)鍵，每次試驗后應(yīng)及時記錄當前的數(shù)據(jù)，同時進行初步分析，考慮當前數(shù)據(jù)的合理性，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有較大的偏離，應(yīng)及時調(diào)整重測數(shù)據(jù)。

5 實驗結(jié)果與分析

采用上述試驗方法對L9(34)中的不同參數(shù)組合進行實際試驗，得到表3的正交試驗結(jié)果。

根據(jù)表3可計算A、B、C三個因素各自的極差Rj為59.45、27.57、29.42。依據(jù)極差Rj大小可知，因素效應(yīng)關(guān)系為：發(fā)射端電阻值影響最大，接收端電容值次之，發(fā)射端電容值影響最小。由表3可知，為使接收端輸出電壓達到最大，最優(yōu)的因素組合為：發(fā)射端電阻值為1?、發(fā)射端電容值為10kpF和接收端電容值為10kpF。

表3 正交試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)的研發(fā)成功將為車聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)[6]。實驗過程表明自供能系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端在選擇電容、電感值時，要盡量使它們一致，這樣效果會比較明顯。在頻率為125k的條件下，發(fā)射端的電阻對輸出電壓影響最大，電容值在10nF附近為較優(yōu)值。解決了發(fā)射端和接收端的電阻、電感、電容值最佳匹配問題，下一步工作將從發(fā)射端和接收端的耦合線圈大小、線圈個數(shù)及線圈組合方式等方面進行研究，以期望獲得更遠的供能距離。

[1]潘夢鷂,周岳斌,劉桂雄.機動車運行安全檢測模式及發(fā)展分析[J].現(xiàn)代制造工程,2009(5):12-16.

[2]李平,賈朝波,文玉梅,等.采用磁電自供能的能量儲存和電源管理電路研究[J].儀器儀表學(xué)報,2010,31(11):2629-2635.

[3]李程.車用無線胎壓監(jiān)測技術(shù)[J].測試技術(shù),2007:59-63

[4]吳斯棟,黃維沛,劉建瓴,等.車聯(lián)網(wǎng)多傳感器自功能系統(tǒng)儲能穩(wěn)壓電路設(shè)計[J].自動化與信息工程,2012,33(1):13-16.

[5]Mahlknecht,Stefan Kazmierski,Tom J. Grimm,Christoph Wang,Leran. Wireless communication and energy harvesting in automobiles[C]. Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE),2011:1-6.

[6]Pacheco V M,de Freitas L C ,Vieira J B ,et al. Online no-break with power factor correction and output voltage stabilization[J]. Power Electronics,IEEE Transactions on,2005,20(5):1109-1117.