（通信与信息系统专业论文）水体监测无线传感器网络的波浪能供电装置研究.pdf

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电；设计了蓄能装置，将有限的且不稳定的电能存储收集，有利于保证无线传感器网络系 统正常工作时的稳定。 ( 3 ) 根据长三角地区气候状况，搭建了流体实验室测试平台，并在不同风力参数下 进行实验，测试了装置的发电量、发电效率、充满电池所需时问等参数。 ( 4 ) 根据装置的发电量及转换效率，调整了影响装置性能的参数值。通过增大电磁 线圈匝数，增大浮板面积，对装置进行了优化，使波浪能供电装置在转换效率、可靠性上 有了较明显的改善。 ( 5 ) 制作了波浪能供电装置实物。 本文的微型波浪能供电装置能够实现基本的供电功能，为延长无线传感器节点的生命 周期提供了新思路、新方法。该装置属于微型供电系统在水体环境的应用，不论是为水质 监测管理、无线传感器网络技术本身的发展，还是作为今后物联网发展的一部分，都具有 重要的意义。鉴于波浪能利用在成本及其技术方面仍难以和常规能源相竞争，在近期内还 不能得到广泛推广，但在某些不便利用常规能源的地区，有其特有的优越性和生命力。随 着关键技术的逐步解决，波浪发电将会在世界能源结构中占据重要位置。 关键词：无线传感器网络；波浪能供电；j n 5 1 3 9 模块；电磁感应 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rm a n yc o u n t r i e s ，t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e we n e r g ya n dr e n e w a b l e e n e r g y h a v eb e c o m ean a t i o n a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g ya n da ni m p o r t a n tc h o i c ei nt h e21s t c e n t u r y a sap o l l u t i o n - f r e er e n e w a b l ee n e r g y ，w a v ee n e r g yg r a d u a l l yw i l lb et a k e ns e r i o u s l y ， a n dm o r ea n dm o r ew a v ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c eu s e di np r a c t i c e ( e gw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n g ) w a v ee n e r g yp o w e rg e n e r a t i o ni so n eo ft h em a i na p p l i c a t i o no fw a v ee n e r g y ， w h i c hh a sm a t u r e dd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft e c h n o l o g y ，a n di si nd e v e l o p m e n ts t a g et o c o m m e r c i a l i z a t i o ne f f o r t s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fw a v ee n e r g yg e n e r a t i o n m o r e o v e r , i te x p l a i n s c u r r e n tr e s e a r c hf o c u s ，d i f f i c u l tp r o b l e ma n dd e s i g np r o c e s s t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ( 1 ) t h em i c r oe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ng e n e r a t i n gd e v i c ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n gm i c r o - w a v ee n e r g yd e v i c e i ti m p l e m e n t st h ef u n c t i o nt h a tw a v ee n e r g yf i r s t i s c o n v e r t e di n t om e c h a n i c a le n e r g ya n de l e c t r i ce n e r g yl a t e r w h a t sm o r e ，t h ep o w e ro fj n 513 9 m o d u l ei nn o r m a lo p e r a t i n gm o d ei sm e a s u r e d ，w h i c hi st h e o r e t i c a lb a s i sf o rw a v ee n e r g y d e v i c e ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ef o r mo fw a v ee n e r g yd e v i c es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ee x i s t i n g m i c r o w a v ee n e r g yd e v i c ea n dt h ea c t u a lw e a t h e rc o n d i t i o n so ft h ee n v i r o n m e n t ，t h ef l o a tt y p e i sd e t e r m i n e d i ti n c l u d e sf l o a t i n ga n dm e c h a n i c a lt y p e b e s i d e s ，a c d c ，d c d cc o n v e r t e r c i r c u i ta n dv o l t a g er e g u l a t o r a r ed e s i g n e d ，i no r d e rt oa c h i e v ea v a i l a b l ed i r e c tc u r r e n tf o r w i r e l e s ss e n s o rn o d e s i na d d i t i o n ，s t o r a g ed e v i c ei sa l s od e s i g n e d i ts t o r e st h el i m i t e da n d u n s t a b l ee n e r g y ，w h i c hi sg o o df o re n s u r i n gt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m ss t a b i l i t y ( 3 ) t h r o u g ht h ec l i m a t ec o n d i t i o n so fy a n g t z er i v e rd e l t ar e g i o n a l ，t h ef l u i dl a b o r a t o r yt e s t p l a t f o r mi sb u i l t t h ed e v i c e sp o w e rg e n e r a t i o n ，p o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y , c h a r g i n gt i m ea n d o t h e rp a r a m e t e r si st e s t e dw i t hd i f f e r e n tw i n dp a r a m e t e r s ( 4 ) t h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c td e v i c ep e r f o r m a n c ev a l u ea r ea d j u s t e db yp o w e rg e n e r a t i o n a n dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y i no r d e rt oi m p r o v ed e v i c e ，i ta l s ot a k e sm e a s u r e ss u c ha si n c r e a s i n g t h en u m b e ro ft u r n sa n di n c r e a s i n gt h ef l o a t i n gb o a r da r e aa n ds oo n n ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y o fw a v ee n e r g yd e v i c eh a sb e e nm o r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h r o u g ht h e s e ( 5 ) t h eo b j e c to fw a v ee n e r g yd e v i c ei sc o m p l e t e d t h em i c r o - w a v ee n e r g yd e v i c ec o u l da c h i e v et h eb a s i cf u n c t i o no fp o w e rs u p p l y , w h i c h p r o v i d e sn e wi d e a sa n dn e wm e t h o d sf o re x t e n d i n gt h el i f ec y c l eo fw i r e l e s ss e n s o rn o d e s t h e d e v i c ei s a p p l i c a t i o n s o fm i c r o p o w e rs y s t e mi nt h ew a t e re n v i r o n m e n t i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n di n t e r n e to f i i i 江苏大学硕士学位论文 t h i n g s g i v e nt h ec o s ta n dt e c h n o l o g y , i ti ss t i l ld i f f i c u l tt oc o m p e t ew i t hc o n v e n t i o n a le n e r g y s o u r c e si nt h en e a rf u t u r e h o w e v e r , i th a si t su n i q u ea d v a n t a g e sa n dv i t a l i t y i tc a nb ea p p l i e di n s o m er e m o t ea r e a sw h e r et h ec o n v e n t i o n a le n e r g yi si n c o n v e n i e n tt ou s e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fk e yt e c h n o l o g i e s ，w a v ep o w e rg e n e r a t i o nw i l lo c c u p ya ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ew o r l d e n e r g ym i x k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；w a v ee n e r g yp o w e rd e v i c e ；j n 5 13 9m o d u l e ； e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 选题背景一l 1 2 水波发电现状一1 1 3 本文的主要内容和结构一3 第二章无线传感器网络节点能耗分析5 2 1 无线传感器网络体系及节点结构一5 2 2 节点能耗分析6 2 2 1 节点芯片5 1 3 9 8 2 2 2g p r s 模块9 2 2 3 节点能耗实验一l o 2 3 本章小结1 2 第三章波浪能发电基本原理1 3 3 1 波浪供电概论13 3 1 1 波浪能简介1 3 3 1 2 机械波理论13 3 1 3 波能分析一15 3 2 机械波波动方程l6 3 3 波动方程和波的能量18 3 3 1 一维波动方程18 3 3 2 波的能量2 0 3 - 3 - 3 波的能流和能流密度2 2 3 4 本章小结一2 3 第四章无线传感器节点波浪能供电装置 4 1 波浪能装置的分类及优缺点2 4 4 2 浮子几何形状对装置采集能量的影响2 5 4 2 1 浮子几何形状与附加质量的关系2 6 4 2 2 浮子几何形状与水截面积的关系一2 6 v 江苏大学硕士学位论文 4 2 3 浮子几何形状与波浪力振幅的关系2 7 4 3 微型波浪能供电装置原理2 8 4 3 1 齿条式水波发电机方案2 9 4 3 2 浮子式水波发电机方案3l 4 3 ，3 结果分析及方案比较3 2 4 3 4 水波发电风力分析3 3 4 4 本章小结3 6 第五章电源转换和充放电保护3 7 5 1a c d c 转换电路3 7 5 2 集成稳压电路3 9 5 3d c d c 转换电路4 0 5 3 1d c d c 转换方案选择4 0 5 3 2l m 3 1 7 稳压器4 l 5 4 蓄电池选型4 3 5 4 1 铅酸蓄电池的充电方式4 5 5 4 2 过充电及过放电保护一4 6 5 5 波浪发电装茕实验4 7 5 5 1 蓄电池充电实验4 7 5 5 2 实物制作与封装4 9 5 6 本章小结：51 第六章总结与展望5 2 参考文献5 4 致谢5 7 攻读硕士期间发表的论文和科研情况5 8 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 无线传感器网络0 3 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 作为一种将像互联网一样改变人 们生活的新兴技术，目前正处于从实验室走向大规模实际应用的阶段，有许多问题亟需解 决，其中能量问题是需要解决的关键问题之一。商业化无线传感器节点产品采用的是一次 性化学电池供电方式，如美国的s u n 公司、c r o s s b o w 公司，宁波中科的产品【4 卅等，节点 携带的能量有限，能量耗尽节点即失效。在动态组网的应用环境中，一批节点的生命周期 结束后，通过投入新的节点不断更新，保持网络活力。但环境监测中的节点大多为固定部 署节点，不可能频繁更新。为此有网络拓扑控制、网络协议等技术减小节点的能耗来延长 整个网络的生存期；同时还须为节点开发新型电源，为网络节点在无基础设施地区利用自 然能进行持续供电，现阶段已经成为从事无线网络应用研发人员的共识【7 - 8 】。今后，低功 耗与持续能量供应技术的结合，将使无线传感器网络有着更广阔的应用天地。 节点能源补充技术是利用节点布放环境中一些可利用的能量资源为节点工作提供能 量或为节点电池充电，以延长节点有效期。应用于环境监测的传感器节点一般可采用光能 和风能来进行能量补充。环境监测、特别是远离基础设施的大面积远程监测，有线供电( 如 哥斯达黎加热带雨林监酒! t j t g j ，在雨林上空架设电缆供电，农业大棚的电力线供电) 成本极 高以致不可能，因此采用太阳能、风能等可持续性的供电方式( 国外有美国林务局研制的 太阳能采集板，国内也普遍采用了太阳能供电装置【1 0 m 1 ) 成为陆地环境监测中的首选方法。 但在大面积的较深水体监测中，如采用漂浮式节点的近海水体监测引，太阳能、风能装置 容易引起装置倾覆，增加了漂浮节点制作的难度；海浪、饱含盐分的空气也会对这些装置 造成侵蚀。为此，研究无线传感器网络节点的水波发电技术，不仅可使无线网络节点供电 技术多样化，还可以因地制宜地利用节点所处环境中的自然能量，节点获得更大的漂浮力， 节点结构更简洁、紧凑，更适应水上环境。 1 2 水波发电现状 水波发电是在陆上资源日趋紧张、生态环境不断恶化和人口膨胀问题的挑战下，发展 起来的。波浪能是一种密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广、但是利 用困难的能源。波浪能的开发和利用是一个涵盖多学科的综合性问题，涉及到机械设计 江苏大学硕士学位论文 与制造，空气动力学，流体力学，物理学，数学模型，计算机模拟，海洋科学等各领域4 1 ， 离大规模的利用还有距离，但经长期的研发已取得了一些具有实际应用价值的成果。另外， 大中型波力发电装置也己在部分国家和地区得到发展，并涌现出一批较为成功的波力示范 装置。如1 9 9 1 年，英国在艾莱岛建成一座装机容量7 5k w 的岸式波浪能发电站，输出的 电能已并人电网。2 0 0 2 年8 月，第一个1 5 0k w 的示范机组在英国设得兰群岛附近的耶尔 桑德开始实验【i ”。英国2 0 0 3 年m c t 公司联合多家机构研制的称为“世界首台商业规模 的”水平轴式潮流发电装置( s e af l o w ) ，已安装在英国布里斯托尔海峡进行实验，装机容 量3 0 0k w ，改进型装置( s e ag e n ) 正在研制中。英国工程商务公司在英国贸易工业部( d t i ) 支持下，开发的振荡水翼潮流发电装置( s t i n g r a y ) ，利用潮流驱动下水翼的振荡，使液压缸 伸缩，驱动发电机发电；1 9 9 6 年意大利阿基米德桥公司开始垂直轴潮流发电装置研究， 经过4 0k w 发电装置实验后，2 0 0 3 年1 2 0k w 发电装置已在意大利墨西拿海峡开始运行。 在我国，“八五”期间，作为国家重点攻关项目，在广东大万山岛上建成一座装机容量2 0k w 的岸式波能实验电站、在青岛建成8k w 的摆式波能实验电站。2 0 0 5 年术东北师范大学主 持并完成了由国家“8 6 3 计划课题“海洋水下仪器能源补充技术，主要是通过海流能发 电机给水下仪器提供能源补给。2 0 0 6 年初浙江大学研制出额定功率为5k w 、额定流速 2 m s 、叶轮额定转速为5 0 r m i n 、叶轮半径1 3m 的水下风车海流能发电机组模型样机。波 浪能开发利用的趋势是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定性，发展波浪能独立发电 系统，使用户直接使用波浪能。广州能源研究所研制的波浪能独立发电系统第一次实海况 实验已经获得成功，在抗冲击、稳定发电、小浪发电等方面均达到预期效果：发电功率6 k w ，发电稳定性优于柴油机发电系统，达到可以直接使用的水平。 上述水能发电利用的是潮汐和海流，主要为生活和生产用电研发，技术复杂、设备庞 大。发电量相对较大：甚至并入电网。与传感器节点更接近一些的、利用水波发电的，有 为海水养殖场，海上灯船，海上孤岛，海上气象浮标，石油平台等提供能源的、较为小型 的发电装置。与网络节点相比，仍属于较大型的装置。为无线传感器节点研发的微型水波 发电装置还未见报道。但是，上述已有水能发电装置所依据的理论，经验和估算公式，装 置模式都是可以借鉴的。本文的研究目标、主要研究内容，就是在水波能量利用的基本理 论、现有技术经验的基础上，探索水体监测传感器节点的新型持续供电方式。在风能、太 阳能节点能量供电之外，为微型自然能发电的多样化发展作出努力。 波浪能开发利用的关键是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定性，发展波浪能独 立发电系统，使用户可以直接使用波浪能。波浪能发电装置离广泛应用还有相当长的距离， 2 江苏大学硕士学位论文 在波浪能利用的研究方面还存在许多问题有待解决6 之0 1 ，但相信随着理论和实践方面的不 断成熟，波浪能开发利用的前景将越来越好。 1 3 本文的主要内容和结构 为解决水质监测环境中的无线传感器网络能量持续供应问题，设计了齿轮式、浮子式 波浪能供电装置。此装置根据机械运动和电磁感应原理，可实现波浪能到电能的转换。此 外，为提高波浪能供电装置装置的稳定性，设计了电源转换电路、稳压电路和铅酸蓄电池 储能装置，以将波浪波动产生的不稳定的电能存储，转换为稳定的电能，为无线传感器节 点供电。另外，通过进行多次室外实验，测量并比较了两种波浪能供电装置的发电情况。 根据波动理论与无线传感器节点能耗情况以及监测区域的气候状况，分析了影响波浪能供 电装置发电量的因素，以此为依据，修改系统参数，优化装置性能。最后，制作了波浪能 供电装置实物。 第一章：绪论。本章首先阐述了水体监测无线传感器网络的波浪供电装置的选题背景。 然后，了解了波浪能背景及发电现状。最后，在分析了无线传感器网络自然能( 包括太阳 能和风能) 供电现状的基础上，提出了利用水波为无线传感器网络节点供电的方案。 第二章：无线传感器网络节点能耗分析。本章介绍了无线传感器网络节点的结构及组 成，分析了模块内部各部分的具体耗能情况。还测量了j n 5 1 3 9 , d 。, 片的实际功耗。通过具体 实验，计算出干电池为无线传感器节点供电的维持时间。 第三章：无线传感器网络节点波浪能发电理论基础。本章分析了波浪能的原理、组成， 以及波浪能的理论基础一波动方程理论。此外，从流体、波浪能、简谐波理论角度分析波 浪能供电装置的原理。 第四章：无线传感器节点波浪能供电装置设计。本章首先分析了波浪发电装置的基 本原理以及各种波浪能装置的优缺点，为波浪能供电装置的选型奠定基础。其次，设计了 齿轮式、浮子式两种波浪能供电装置。两种装置采用浮体作为波浪能采集装置，采用齿条 或滑轮作为波浪装换装置。通过对不同形状进行分析，比较选用各种形状浮子时的发电情 况，选择适于本装置的矩形浮子。然后，在流体实验室进行实验研究，采集各种实验数据， 根据实验所得到的数据和前面理论，选定合适的实验参数。 第五章：电源转换电路与整体设计。本章是第四章的后续，分析了电源转换电路 ( a c d c 与d c d c ) 、稳压电路。其次，对发电机和传感器节点进行了封装设计，确保波 浪能供电装置在水面上的安全。然后，在流体实验室状态中，对设计好的波浪能供电装置 |， 江苏大学硕士学位论文 进行了测试，对系统整体进行了优化处理。 总结与展望：本章总结了全文的主要研究工作，结合本方案的不足，对以后的工作提 出了展望。波浪发电的研究目前还处于大型发电阶段，微型波浪发电的应用还较少，距离 一个完善的微型供电系统还有一段距离。在实际应用中，需要解决的问题还有许多，随着 技术的发展，不断的共同努力，所涉及的难题将会被逐步攻克。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络节点能耗分析 无线传感器网络的应用同益广泛，在民用方面具有极高的价值( 如应用于水体环境监 测) ，可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的坏境数据。无线传感器网络中的节点 一般采用电池供电，携带的能量有限，对于特殊环境中应用，如水体监测应用的无线传感 器网络来说，对电池的更换是较为困难的。但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数 月甚至数年。因此，无线传感器网络节点能源补充技术成为无线传感器网络软硬件设计中 的关键问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。 在研究无线传感器网络的持续供电问题中，分析无线传感器网络体系，节点结构以及 具体能耗情况，是解决无线传感器网络能量有限问题的前提和依据。 2 1 无线传感器网络体系及节点结构 无线传感器网络典型的体系结构包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( 监控中心) 。传感器节点部署在监测区域，通过自组织方式构成网络。传感器 节点监测的数据经路由传到汇聚节点，汇聚节点将收集到的数据通过公共网络等( 如g p r s 网络卫星通信网等) 传输给管理或监控中心【2 1 - 2 2 1 ，再由管理或监控中心对监测数据进行 分析处理。用户可以通过监控中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集 监测数据f 2 3 埘l 无线传感器网络系统结构如图2 1 所示。 一、 扩 监测测中心终端 监测区域 汇聚：够点 一般节点 图2 1 无线传感器网络系统结构 传感器节点( n o d e ) 通常是一个微型的嵌入式系统，由传感器单元、处理器单元、无线 收发单元和能量供应模块四部分组成。其中，传感器单元负责监测区域内信息的采集；处 理器模块负责控制整个传感器节点的操作，是传感器节点的核心；无线收发模块负责与周 围的其他传感器节点进行无线通信，包括控制信息的交换与数据信息的传输等；能量供应 模块为传感器节点运行供能，通常采用两节普通a a 电池。无线传感器网络节点结构图如 s 江苏大学硕士学位论文 图2 2 所示。 传感器模块处理器模块无线通信模块 圈 图2 2 无线传感器节点结构刚u 和传统的传感器网络相比，具有现代意义的无线传感器网络是集成了监测、控制以及 无线通信的网络系统，节点数目更为庞大( 上千甚至上万) ，节点分布更为密集；传感器 节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都相对有限。由于环境影响和能量耗 尽，节点更容易出现故障，环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。传统无线网 络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源：现代传感器 网络的首要目标和核心问题便是能量问题，这是与传统网络最重要的区别之一。现代无线 传感器网络的路由协议、m a c 协议、拓扑控制等技术，都以能量的高效利用为中心任务。 除此之外，为无线传感器节点提供可持续性的能量供应，是解决能量问题的另一个重要途 径。这也是本文的研究内容，即在水体监测的应用环境中，通过水波发电为节点持续供电 的技术。 2 2 节点能耗分析 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。在无线传 感器网络实际运行过程中，能量消耗主要来源于计算、传感和无线电通信三大模块。计算 的能力消耗集中体现为微处理器执行指令的能耗；传感单元的能量消耗主要包括变换器 ( t r a n s d u c e r ) 、前端处理和a d 转换操作。不同的感测信息会有不同的能耗，比如感应温 度、声音和图像信号所需消耗差别较大。无线传感器节点感应的时间长短不同，传感器所 需的能耗也不同。环境的复杂性同样影响着传感器节点感应外部环境信息所需的能耗。在 充满干扰的情况下，探测所得数据的不可靠因素会增加。为了获得精确的数据，探测所需 的能耗及重复探测的次数会加大，能耗也随之增加；无线通信的能耗主要来源于无线电模 块收发数据及空闲侦听时的功耗。 6 江苏大学硕士学位论文 不同的传感器节点，能耗会有所差别。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模 块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。在运行过程中，无线通信模块 可处于四种状态：发送模式( t r a n s m i s s i o nm o d e ) ，接收模式( r e c e i v em o d e ) ，空闲模式( i d l e m o d e ) 和睡眠模式( s l e e pm o d e ) ，这四种状态下的无线通信模块的功耗有较大差别。比如， 无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，睡 眠状态时关闭通信模块。一般传感器节点各部分功耗对比图i l j 如图2 3 所示。 功耗肋 ( 栅 5 计算传感发送接收空困睡眠 图2 3 一般传感器节点各部分功耗对比图 从图2 3 中可以看到，节点的能耗在很大程度上取决于各个组成部分的工作状态。无 线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于 发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。 通信模块的发送功耗与传输距离和调制策略等因素密切相关。此外，节点采用的调制 模式、数据率、发射功率和操作周期等对能耗也有一定影响。还有一些因素会引起无线传 感器网络能源浪费【2 5 】，列举如下： ( 1 ) 冲突：多个节点同时向一个节点发送数据包，造成信号间的相互干扰，使得接 收方无法完成数据的准确接收，造成能量浪费。利用r t s c t s ( 请求发送允许发送) 握 手机制可以解决冲突问题，但是会带来额外的协议开销。 ( 2 ) 串听：当用共享信道通信时，节点会收到不是发给自己的数据包，造成串昕。 ( 3 ) 控制信息开销：m a c 层为了传输数据需要在节点之间交换控制信息，这些信息 对用户来说是无用的。 ( 4 ) 空闲监听：节点不知道邻居节点何时发送数据，射频模块要一直处于接收状态， 消耗大量的能量。这是无效功率的主要来源。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 不恰当传输：发送节点在目的节点还没有准备好接收数据时就发送信息，会造 成不恰当传输，浪费能量。 ( 6 ) 负荷波动网络中负荷的突然增加会使冲突的可能性增大。当负载接近信道容量 的极限时，可能造成网络崩溃，此时信道几乎没有数据包传输，浪费了大量资源。 ( 7 ) 数据冗余鉴于单个传感器的监测范围和可靠性是有限的，部署网络时，应当使 节点达到一定的密度以增强网络的稳定性和信息的准确性。节点部署的高密度会使邻居节 点采集的信息存在一定程度的冗余，在发送这些信息时，就会导致消耗很多不必要的能量。 微处理器模块是无线传感器节点的核心部件，它负责整个节点的工作状态，在选型时， 需要考虑处理器的处理能力、存储能力、功耗以及成本等因素。其中，j e n n i e 公司的传感 器节点( 核心处理器为j n 5 1 3 9 ：签片) 在国内的水体等环境监测中应用普遍。本文就以这 种节点为例，设计的水波发电装置。 2 2 1 节点芯片j n 5 13 9 j n 5 1 3 9 是由中科院宁波分院开发的g a i n z 功耗传感器节点。j n 5 1 3 9 是一个低功耗， 低成本的无线微控制器，适合i e e e 8 0 2 1 5 4 、j e n n i c 和z i g b e e 应用。 州5 1 3 9 处理器主要指标如下： ( 1 ) 工作电压：2 7 3 6 v ； ( 2 ) 深度睡眠电流0 2 心，当前工作状态睡眠计时器1 3 9 a ； ( 3 ) 发射t x 电流 3 7 m a ，接收r x 电流 , p 面万 c 4 剐 起伏自然圆频率c o ：与水截面么。附加质量哆有关，当浮子几何形状一定时，吧一定， 可以确定频率比叫吃，据此得出z o ( 圪p 伊) 的大小，此时确定了波浪力幅度，运动 振幅g o 即可确定。 圆形浮子的截面积较大，能留密度大，适合作为实验浮子。但考虑到实际中矩形浮子 制作方便，本文选用矩形浮子为波浪能供电装置的浮子类型。 4 3 微型波浪能供电装置原理 波能转换一般分为两个阶段1 3 9 1 ，首先将波能转换为另一种形式的机械能，再将这种能 转换为电能。波浪能利用装置依据的原理一般为：利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运 动；利用波浪压力的变化；利用波浪的沿岸爬升将波浪动能转换成水的势能等。 波浪发电的方式千变万化，关于波浪能转换的技术很多。根据能量转换原理来划分， 可以分为气动式、液压式、简单机械式等。 波浪发电装置的原理及结构较简单，且效果显著。波浪能装置通常具有两个部分：第 一部分为采集系统，作用是俘获波浪能；第二部分为转换系统，即把俘获的波浪能转换为 某种特定形式的机械能或电能。 本文的波浪能供电装置，采用简单机械式的发电方式，运用法拉第电磁感应原理。通 过水波不停的上下振动，将波浪能转化为电能，达到为无线传感器节点持续供电的目的。 波浪能发电的一般过程是水波振动带动微型发电机内部的电磁线圈转动，做切割磁感线运 动，产生感应电流，经a c d c 转换电路将不稳定的电能转换为直流电为蓄电池充电，然 2 8 江苏大学硕士学位论文 后再由d c d c 电路将蓄电池电压转换为节点所需的供电电压。该过程的流程图如图4 1 所示。 l 微型发电机 j l l 交流一直流转换电路 i 蓄电池 i i l 直流一直流转换电路 i l 无线传感器节点 图4 1 无线传感器节点波浪能供电流程图 下面是设计的两种波浪能发电的方案，包括交流一直流( a c d c ) 转换电路以及直流 直流( d c d c ) 转换电路的设计。最后，对波浪能发电装置的实验结果进行了分析与比较。 4 3 1 齿条式水波发电机方案 齿条式水波发电装置包括矩形浮板、弹簧坠子、齿条和带有齿轮的微型发电机，如图 4 2 所示。其中浮板起平衡作用，使整个发电机在水面上稳定漂浮。浮板下面有固定的圆 轴和齿槽，用来固定微型发电机和齿条，齿条下面连有弹簧坠子。弹簧坠子由拉伸弹簧( 或 弹性绳) 和重物组成，微型发电机包括电磁铁和由多匝细线缠绕形成的金属线圈( 线圈上 带有齿轮) 。 浮援 图4 2齿条式水波发电机 微型发电机的主要构成部分是带有齿轮的电磁线圈，电磁线圈有额定的转速。当水波 驱动弹簧坠子振动时，电磁线圈也会随之转动。一旦达到额定转速，电磁线圈发电效率就 2 9 江苏大学硕士学位论文 会达到最优。带有齿轮的微型发电机如图4 3 所示。 齿轮 电磁线圈 图4 3 带有齿轮的微型发电机 水波发电机漂浮在水面上，水波振动时，弹簧坠子在水中上下震动，带动齿条往复运 动，齿条带动微型发电机上的齿轮和线圈转动，做切割磁感线运动，产生感应电流，获得 所需的电能。 为了能够给传感器节点提供足够的电量，需根据无线传感器节点工作时所需的能耗计 算弹簧的弹力系数，选择适当规格的弹簧，获得足够的电能。装置根据胡克定律【4 0 1 确定 弹簧的弹力系数，由胡克定律可知： a f = k a x( 4 7 ) 式中k 是常数，表示物体的弹力系数，与材料的属性有关；缸是弹性形变，表示弹簧 原长度与伸长后长度之差的绝对值；竹是引起弹簧形变的外力，表示重物的重力g 与 重物受到的浮力f 之差的绝对值。 公式( 4 7 ) 中，心为固定值，可将弹力系数k 选择得小一些，这样厶就会大一 些。血的增大，有利于齿条以较大的幅度带动微型发电机上的齿轮和线圈转动，获得较 大的电量。齿条式微型发电机各部件参数如表4 1 所示。 表4 1 齿条式微删发电机各部件参数 部件名称尺寸或重量 浮板 齿条 弹簧 坠子 微型发电机 长度：7 0 c m 宽度；4 0 c m 重量：5 0 0 9 长度：1 5 c m 长度：2 0 c m 重量：8 0 9 转速：3 0 0 0 r p m 输出直流电压：8 5 v 额定 输出电流：7 0 0 m a 实际应用中，由于气候原因，偶尔会出现水面风力较小，波浪起伏不大的情况，此时 微型发电机可能达不到额定转速，发出的电量较小，电压、电流也会小于额定值。针对这 种情况，本文设计了铅酸蓄电池蓄能装置，通过将产生的电能储存，可以将不稳定的电能 转化为稳定的电能，以实现为无线传感器节点供电的功能。 3 0 江苏大学硕士学位论文 4 3 2 浮子式水波发电机方案 采用浮子俘获波浪能，通过与浮子连接的滑轮装置和电磁感应发电机将波浪能转换成 电能。浮子技术的优势有： ( 1 ) 浮子制造相对简单，比较容易采集能量； ( 2 ) 俘获波浪能效率以及转换效率较高。 浮子式水波发电机1 4 l j 由一个浮板、一个滑轮组( 含一个动滑轮和一个定滑轮) 、电磁 线圈、重物组成、扭型弹簧( 扭型弹簧如图4 4 所示) 。 图4 4 扭型弹簧 浮板通过一根线与滑轮组相连接。这种浮子发电机装置如图4 5 所示。 浮板 定滑轮 动滑轮 重物 图4 5 浮子式水波发电机装置 发电装置中，最上面是浮板，起平衡作用。实线框以内部分是滑轮组，包括一个定 滑轮和动滑轮。定滑轮上连接着电磁线圈，动滑轮一侧连接着扭型弹簧。水波振动时，浮 板拉动滑轮组转动。浮板带动动滑轮转动时，定滑轮也转动，并带动定滑轮上的电磁线圈 转