無線傳感器網(wǎng)絡(luò)激光主動(dòng)供能采集系統(tǒng)研究

熊淑平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡 438002)

電子信息技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)激光主動(dòng)供能采集系統(tǒng)研究

熊淑平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡 438002)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用電池供能，能量有限，影響了傳感器的適用時(shí)間和性能。文中根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)對激光的反應(yīng)，設(shè)計(jì)了激光自主能量采集功能系統(tǒng)，在確保傳感器運(yùn)作的情況下收集了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，解決了節(jié)點(diǎn)因環(huán)境能量不足而無法自供能的問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；供能采集系統(tǒng)；激光

無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由無線通信以及負(fù)責(zé)檢測任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,其作用主要是監(jiān)控環(huán)境、偵查軍事情報(bào)以及安全檢測等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性比較高，其節(jié)點(diǎn)具有耗能低、成本低等特征，在數(shù)據(jù)處理、傳感方面發(fā)展前景良好。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)功能方式分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣，發(fā)展前景良好，然而卻因?yàn)槟茉磫栴}而使其發(fā)展受限。通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源是一次性電池供給，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)因電池電量不足而無法工作的情況，若想讓其繼續(xù)工作,就要更換節(jié)點(diǎn)處的電池，然而無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、區(qū)域分布廣、監(jiān)測環(huán)境也比較復(fù)雜，顯然更換電池耗資大且不容易實(shí)現(xiàn)。能量供給有限，傳感器節(jié)點(diǎn)耗能限制了無線通信距離，保障通信距離要加大能量供給時(shí)間，進(jìn)而無限傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍受到了限制。使得無線節(jié)點(diǎn)的存儲器、處理器硬件資源有限?，F(xiàn)階段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要面臨的問題是如何提高能源使用效率，讓網(wǎng)絡(luò)的通信能力、壽命以及硬件功能的價(jià)值發(fā)揮到最大。針對無線傳感器節(jié)點(diǎn)能源問題，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)激光主動(dòng)功能技術(shù)，該技術(shù)能將能量以光能形式傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)分布范圍區(qū)，并轉(zhuǎn)換單點(diǎn)激光為光場，供能給傳感器節(jié)點(diǎn)，該技術(shù)具有無電磁輻射、方向性準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)、能量密度高以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且能夠應(yīng)用于強(qiáng)電磁、強(qiáng)電壓等惡劣環(huán)境中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)激光主動(dòng)功能技術(shù)不僅解決了極端環(huán)境下無線傳感器能源的問題,還延長了其使用時(shí)間，讓其滿足于更多的工作需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)激光主動(dòng)供能研究基本分為幾點(diǎn)：一是激光波長的選擇，即分析大氣中激光傳輸?shù)奶匦詠磉x擇適合的波長；二是根據(jù)光場特性和光學(xué)原理將單點(diǎn)激光轉(zhuǎn)換為空間光場；三是基于太陽能電池的性能和激光的波長來確定太陽能電池的選擇；四是綜合上述研究后將這些利于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的策略融合在一起設(shè)計(jì)確保激光主動(dòng)供能的能量采集系統(tǒng)。

2.激光供能網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

激光的功能面積取決于激光的功率，即激光的功率提高其相對應(yīng)的功能面積才能擴(kuò)大，單個(gè)激光器的成本也會隨著激光功率的提高而增加，通常功率比較大的激光器成本都比較高，這樣一來系統(tǒng)成本也會隨之加大。激光主動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)激光器組成的，這不僅能讓主動(dòng)功能面積得到擴(kuò)大,還能降低總系統(tǒng)成本。圖1是子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，其功能光源為單獨(dú)的一個(gè)激光器，眾多子網(wǎng)絡(luò)組成的便是激光功能網(wǎng)絡(luò)，分束鏡會將從供能點(diǎn)發(fā)射到這里的激光分光，分光后一部分激光會進(jìn)入另外一個(gè)區(qū)域繼續(xù)被分束器分光，另一部分則是通過光場轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為無線傳感器提供能量。由此可見，功能子系統(tǒng)不僅可以讓激光功能范圍加大，還能提高其利用率。多個(gè)供能子網(wǎng)絡(luò)組合成一個(gè)大的供能主網(wǎng)絡(luò)，其供能范圍和效率大大提高。

圖1 供能子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3．激光主動(dòng)供能的能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MPPT電路、放電控制電路、DC/DC變換電路、無線節(jié)點(diǎn)、充放電保護(hù)電路及太陽能換能器是激光主動(dòng)供能采集系統(tǒng)的相關(guān)組成部分。圖2顯示的是激光主動(dòng)供能采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的換能器為太陽能電池，且其儲能元件為單層存儲結(jié)構(gòu)，空間光由單點(diǎn)激光轉(zhuǎn)換過來后，系統(tǒng)就可將其轉(zhuǎn)換成電能。換能器是用太陽能電池，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)專門的MPPT電路，以追蹤太陽能電池的最大功率，使儲能元件充電時(shí)充電效率提高。在充放電時(shí)，儲能元件會有過度放電和充電的問題，因此應(yīng)設(shè)計(jì)針對性保護(hù)電路。正常運(yùn)作中，儲能元件會在放電控制電路的控制下放電，確保無限傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間的能量充足。無線節(jié)點(diǎn)可以通過DC/DC變換器獲取轉(zhuǎn)換之后的儲能元件的能量進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，太陽能MPPT電路也需要基于太陽能電池的性能以及空間光的能量密度來設(shè)計(jì)，才能有效地提高太陽能電池的充電效率；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間在很大程度上會受到儲能元件的影響，對此可以選擇具有等效串聯(lián)電阻小、能量密度高、充放電次數(shù)無限以及漏電流小的超級電容，同時(shí)還能提高整體性能；DC/DC變換器的設(shè)計(jì)要基于無線傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長和能耗來設(shè)計(jì)；充放電保護(hù)電路和放電控制電路的設(shè)計(jì)也要以電容的性能為依據(jù)。

圖2 基于激光主動(dòng)供能的能量采集系統(tǒng)

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

圖3 展示的是實(shí)驗(yàn)情況下設(shè)計(jì)的激光主動(dòng)供能系統(tǒng)。

如圖3所示，無線傳感器通過能量采集系統(tǒng)構(gòu)成“格網(wǎng)通”，再以激光主動(dòng)供能方式為基礎(chǔ)，共同組成自供能傳感器節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中會盡量排除干擾，防止其他光線干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且為了驗(yàn)證無線傳感器節(jié)點(diǎn)在不同光場位置上是否都能獲取能量工作，調(diào)整自供能節(jié)點(diǎn)的位置多次測試。

圖4 激光主動(dòng)供能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖

圖4的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)情況下傳感器節(jié)點(diǎn)所傳輸給電腦的溫度、濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)表明，約15分鐘自供能傳感器節(jié)點(diǎn)就可正常工作一次，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，節(jié)點(diǎn)測得的一天的溫度和相對濕度如圖5。

圖5 節(jié)點(diǎn)測得溫度與相對濕度數(shù)據(jù)

曲線T代表溫度，曲線RH代表相對濕度。實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，15m是節(jié)點(diǎn)無線傳輸數(shù)據(jù)的最大距離。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，無線節(jié)點(diǎn)可以通過能量管理電路在激光主動(dòng)供能的情況下獲取能量并且正常工作。

4.結(jié)束語

對自供能傳感器節(jié)點(diǎn)的各部分分析，設(shè)計(jì)出自供能傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。測試基于激光主動(dòng)供能而轉(zhuǎn)換的空間光場來進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到太陽能電池在不同光場情況下的輸出情況。綜上所述，無線傳感器節(jié)點(diǎn)激光主動(dòng)功能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件充足后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以及獲得的相對濕度和溫度數(shù)據(jù)表明，無線傳感器節(jié)點(diǎn)激光主動(dòng)功能方式是可行的。

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TP212.9

A

1671-5136(2017)02-0136-02

2017-05-30

熊淑平（1971—），女，湖北黃岡人，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向：計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備硬件研究。