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无线传感器网络的主动压电能量供给系统研究
资料介绍
近年来，无线传感器网络在国防军事、灾害预测、交通管理、医疗卫生、环境科学和日常生活等领域展现出巨大的应用前景。压电能量供给系统能实现传感器节点的自供能，提高节点的性能和使用寿命，适应了无线传感器网络的需求。
为了解决传统压电能量供给系统中存在的供给频带窄、供给效率低两个问题，本文提出了一种自适应的主动压电能量供给系统。通过最优控制电压的实时调节，使系统能在宽频带范围内满足谐振要求，实现阻抗匹配，提高能量输出功率，驱动无线传感器网络节点正常工作。
首先，以无线传感器网络为应用背景，根据压电效应和力学理论，构建了压电能量供给系统的质量-弹簧-阻尼物理模型和等效电学模型。研究了被动、半主动、主动三种不同的能量供给系统，建立了仿真电路，深入分析了三种系统的能量采集功率和优缺点。
其次，设计了一种主动压电能量供给技术，推导了最优控制电压的数学表达式。在在最优控制电压的作用下，使系统工作在谐振状态，提高压电装置的振动机械能，减小系统的阻尼周期。同时给出了一种实现最优控制电压的自适应控制算法。在Matlab中仿真验证了最优控制电压和自适应控制算法的可行性。
然后，以 MSP430F169单片机为核心构建了主动压电能量供给系统的硬件电路，主要包括全桥整流器、DC-DC变换器、能量存储单元和控制单元。在功率电路工作过程中，实时采集输出功率和激振力频率，调节最优控制电压的幅值和相位，使系统输出最大功率。同时分析了每个模块的具体工作原理和实现流程。
最后，选取双晶压电陶瓷，搭建了一套用于无线传感器网络节点调试的硬件平台，对其进行了性能测试。实验结果表明，在非谐振频率处主动压电能量供给系统的输出功率是标准能量供给系统的3倍，主动压电能量供给系统能在宽频带范围内提高能量输出功率。
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