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自供电无线节点能量收集和预测方法研究

自供电无线节点能量收集和预测方法研究

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作者：范利娟重庆理工大学

学位级别：硕士

无线传感器节点通常部署在难以抵达或难以维护的地方,这就导致为节点更换电池和充电变得尤为困难。自供电无线节点的出现,为解决上述问题提供了新的思路。其中能量收集可将环境中的能量转换成电能,为节点延长寿命。并且通过对可收集能... 详细信息

无线传感器节点通常部署在难以抵达或难以维护的地方,这就导致为节点更换电池和充电变得尤为困难。自供电无线节点的出现,为解决上述问题提供了新的思路。其中能量收集可将环境中的能量转换成电能,为节点延长寿命。并且通过对可收集能量的预测调整节点工作模式实现能源的管理,从而减少能源的浪费和提高节点的工作性能。当前自供电无线节点的太阳能收集电路存在结构复杂、电源结构选择等问题。同时现有能量预测算法在应对复杂的天气变化时预测效果较差,并存在内存占用高、计算复杂等问题。因此需要考虑自供电无线节点的相关特性完成电路设计并根据太阳能能量变化趋势进行能量预测,从而制定合理的能量调度策略,避免能量耗尽导致的节点宕机。本文基于“国家自然基金——面向无线传感网的软件定义电源技术研究(61601069)”展开自供电无线节点的能量收集与预测的相关研究。在这一背景下,首先对自供电无线节点的太阳能收集与预测技术在国内外的研究现状进行了系统的梳理与总结。基于这些前期工作,进一步开展了以下研究内容:(1)针对自供电无线节点的太阳能收集电路中存在结构复杂等方面问题,提出了基于电压匹配的极简能量收集电路。只需要一个二极管就可以使太阳能电池板的输出电压维持在最大功率点电压附近,从而使得电路能够保持高效的能量的收集。经过可行性分析以及在户外环境的实际测试验证了这一电路在保持结构简单的同时,能够稳定地进行能量收集,并且拥有相当可观的能量收集效率。(2)针对能量收集电路设计中电源结构选择的难题,创新性地提出了一种数据驱动的电源结构设计方法。该方法通过将实际测量的光照强度数据与公开数据集进行映射,分析了太阳能电池板的输出特性以及锂电池的工作特性。在此基础上,结合已知节点的耗电量,完成了电源结构设计的仿真工作,从而有效地解决了能量收集中电源结构选择的问题。(3)针对现有能量预测算法在预测辐照度上应对复杂的天气变化时预测效果差、内存占用高以及算法复杂的问题,提出了一种轻量级的能量预测方法。该方法通过利用当天早上九点实际测试得到的辐照度数据,来拟合预测未来24小时的辐照度。这样的操作使得节点无需再存储历史的辐照度数据并对其进行训练,从而减少算法所占的内存和算法复杂度。这一创新不仅有效解决了内存占用大和算法复杂的问题,而且在预测性能上也比传统的EWMA算法在不同样本数据中改善了46%以上。并在实现了高效的能量收集和预测之后,通过调节节点占空比实现能量调度设计。通过合理的能量调度,不仅显著减少了节点的宕机时间,其完成工作次数最高可提升45%。

关键词：自供电无线节点能量收集电路可收集能量预测轻量级调度设计

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