开题报告-基于无线传感器网络节点的微型光伏电源系统设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：基于无线传感器网络节点的微型光伏电源系统设计指导教师:2015 年 4 月 2 日毕 业 设 计 开 题 报 告 1选题依据：文 献 综 述1 本课题的选题背景意义1.1无线传感器网络的发展现状科学技术的飞快发展已使我们置身于信息时代。传感器技术作为获取信息最重要和最基本的技术,近年来得到了极大的发展,已经从过去的单一化渐渐向集成化、和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)的物联网被称为是下一个IT时代的产业革命。WSN技术的提出始于20世纪70年代,直至上世纪90年代仍是主要在军事领域中应用。在进入21世纪以后,WSN才开始逐渐在国内外学术界和产业界引起了广泛的关注,在多种应用领域中取得了重大进展。现在WSN已在国际上被认定为继互联网之后的第二大网络,2003年由美国技术评论杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中WSN名列第一。WSN中综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术,能够实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息可以通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者1。简言之,WSN可以采集信号并对其进行预处理,同时通过有线或无线通信技术报告感知信息。 目前WSN的应用主要集中在以下领域:环境的监测和保护2,医疗研究和家庭护理34,军事领域5,交通监控系统6以及在一些危险的工业环境中实施安全监测7。尽管目前WSN仍处于发展的初级阶段,但已经展示出了非凡的应用。价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大更广阔的应用。WSN的远景目标:联系物理世界,感知无处不在,它将成为物理世界,计算机世界和人类社会之间的关系纽带8。 WSN般由一组节点组成,它们以多跳的、自组的方式构成无线网络系统。其目的是协作的感知,采集和处理给定的监控区域内的物理信息,并将之与观察者进行交互。一个微型传感器节点的结构框图,主要由四部分组成:电源管理单元、数据釆集单元、数据处理单元和数据收发单元。此外,它可能还包括与应用相关的部分,如定位系统和动力系统。信息采集单元中含有传感器和模数转换器(ADC),传感器感应区域内的被监控物理量产生一个模拟信号,ADC把此模拟信号转为数字信号,并将之移交至数据处理单元;数据处理单元中的处理器用来执行用户程序和处理数据,应用程序和相关数据被存入一个小型存储器;数据收发单元以相互通信方式将众多传感器节点连接成WSN;电源管理模块是WSN节点上一个比较重要的组成部分,由它为其它部分的正常运作提供电力能源。1.2微型光伏电源系统的发展现状最早的微型光伏电源系统(Micro-scale PV Power system)中包含一块几平方厘米大小的太阳电池用于光电转换,产生的电能直接共给负载使用。由于光能量实时变化且有日夜之分,为了能够为负载持续供电需要在光能充裕时将能量收集到一个能量存储介质中以备光能不足之需。另外,由于太阳电池是一个非线性有限功率源,为了提高太阳电池的能量转换效率,需要对它进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT),也就是说对太阳电池的光电转换工作进行合理控制来提高转换效率。一个典型的微型光伏电源系统主要包括四个部分:（1）太阳电池,它是光电能量转换器;（2）微能量收集器,在MPPT器的控制下实现功率转换;（3)能量存储单元,用于存储静电能量;(4)直流电压变换器,用于实现电压变换按需供给负载用电。关于微型光伏电源系统的研究相应分为如下四个领域:（1）太阳电池的建模和仿真,只有为太阳电池建立了精确的数学模型才能够对光伏系统进行准确的预测,从而才能为光伏系统设计最合理的太阳电池组件(阵列)9。文献10-14等使用解析法建模,根据已知条件(太阳电池的特殊工作点)建立封闭方程组求解模型参数,并基于基尔霍夫定律建立等效电路模型。文献15-17等使用数值法建模,根据一条测试得到的I-V特性曲线,通过曲线拟合确定模型参数,从而建立起等效电路模型。等效电路模型具有清晰的物理意义,是目前最为常用的太阳电池模型,除此之外，还有另外一种方法是基于太阳电池的伏安外特性法建立数学模型。由于光伏电池组件生产厂家产品说明书中会给出相关的参数,比如:开路电压、短路电流以及标准光照强度下输出功率峰值、最大功率点电压和最大功率点电流等,因此可以用这些描述电池外特性的参数直接建立模型,则该模型便于用户解读和理解,设计也简单实用,但物理意义不够清晰,是一种纯粹的数学模型。 (2)微能量收集器的设计,主要包括MPPT控制算法的研究和功率转移电路的研究两个方面。文献18中总结并对比了多种MPPT算法,由于受到功耗和成本的限制,这些方法并不是全部都能应用于微型光伏电源系统之中。在现有的研究成果中以恒压法19、开路电压法20-23、短路电流法23-24、和最大负载功耗法25-28最为常见。用于实现功率转移的电路结构上类似于直流电压变换器(DC-DC Converter),共同点都是将输入功率转移到输出端,区别在于传统直流电压变换器实现的是可变电压到固定电压的转换,其输出电压是一个稳定值,而能量收集器中的功率转移电路的目的是稳定输入电压,使其一直等于所处环境下的最大功率点处。 (3)储能单元设计,微型光伏电源系统的储能单元一般为蓄电池组、超级电容器或是二者的组合模式。由于超级电容自身具有多项的突出优点,现己逐步取代蓄电池组成为静电储能的主流元件29-32,文献33中详细介绍了超级电容器的物理特性和电学特性,可供设计者参考。 (4)直流电压变换器的设计,由于特定的应用环境微型光伏电源系统中的电压变换器与通用型DC-DC变换器的侧重点有所不同,这里更为注重的是功耗和成本问题。参考文献1 刘云浩.物联网导论.北京:科学出版社,20102 B.A. Warneke and K. 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