自供电无线传感器网络的能量管理技术和理论研究

无线传感器网络由于其巨大的经济价值和广阔的应用前景，成为国内外广泛关注和研究的热点。然而，在传统的基于电池供电的无线传感器网络中，电源已成为其发展的瓶颈问题。本课题以基于自供电技术的无线传感器网络能量管理为研究对象，对其相应的微能量采集系统的电源管理技术和网络能量管理模式和策略的科学问题进行研究。具体内容包括：① 磁电换能器超低电压启动的AC-DC整流和热电换能器DC-DC升压变换器建模分析和电路实现；② 换能器输出最大功率点跟踪算法研究；③ 能量储存模式的优化研究；④ 磁电与热电复合式微能量采集系统的电源管理专用芯片研究；⑤ 电磁场环境采集能量预测数学模型构造及理论研究。本课题旨在从单芯片电源管理集成电路实现和基础理论研究两方面，为自供电无线传感器网络的电源管理设计奠定技术基础和为将来传感器节点技术、组网协议研究奠定理论基础，具有重要要的理论意义和工程应用价值。

能量问题已成为制约无线传感器网络发展的瓶颈，本课题针对自供电无线传感器网络的能量管理相关理论与技术问题进行了研究。课题设计了适用于磁电、压电能量转换的超低电压启动的AC-DC整流电路，与传统整流电路相比，具有压降损耗、功耗低的优点，所设计的有源整流电路的当输入电压为1V时，最小压降可达33mV，借助于外部器件，最低启动电压可低至10mV；研究了适用于温差热电发电的超低电压启动的DC-DC升压变换器的建模方法，设计了相关电路，可实现最低40mV输入的直流电压启动，为实现微弱信号的能量转换与收集奠定了基础；建立了适用于微光条件下的新的光伏电池“五参数模型”，与传统的模型相比，具有更高的预测精度和更快的计算收敛速度，为实现能量收集器的输入能量预测提供了理论基础；设计了弱光条件下的室内光能量采集系统，实现了对无线传感器的自主供电；提出了一种新的最大功率点跟踪算法及实现电路，使超级电容充电的效率比直接充电提升了3.24倍；研究了压电、电磁能量收集器的输出特性，通过引入工作于DCM模式下的DC-DC变换器实现了与换能器的最佳阻抗匹配，实现了能量收集器的最大功率输出，测试结果表明能量收集的效率提升了3.33倍；研究了基于收集多种环境能量的复合微能源的工作机制，研制了复合式振动微能量收集器，设计了阻抗匹配电路、最大功率点跟踪电路、能量储存电路、能量瞬时释放电路及DC-DC电压调节电路，研制了适用于无线传感器节点供电的自主微能源系统；研究了微能量的高效储存模式，比较了储能电池与超级电容的优缺点，并以超级电容作为微能源系统中的储能器件实现了能量的高效积聚与释放管理；研究压电、磁电及温差热电复合式能量收集的工作机理，分析了能量输出的影响因素，建立了相关能量收集器的能量输出预测数学模型，为能量收集器的设计提供了理论支撑；设计了适用于复合式微能量采集系统的低压差线性（LDO）和DC-DC电源管理专用芯片。课题的研究内容及相关研究成果为实现单芯片的微能源系统奠定了理论与技术基础。