一种无源振动传感节点的自适应供电调度方法及系统与流程

本发明涉及电力供电与能源管理，尤其是涉及一种无源振动传感节点的自适应供电调度方法及系统。

背景技术：

1、无源振动传感节点作为无线传感网络的重要组成部分，广泛应用于工业设备，如工业水泵的状态监测与故障预警领域。此类节点通常部署在难以布线或更换电池的环境中，因此其供电系统的长期自主运行能力至关重要。能量采集技术，特别是从设备振动中获取能量，为实现节点的无源化或长寿命运行提供了可行途径，相关的电能供给与分配系统设计是该领域的核心技术之一。

2、相关技术中，公告号为cn109980766b的中国发明专利公开了一种具有迟滞自锁功能的振动能量采集器电源管理电路，包括：整流电路、储能电容、迟滞自锁电路、电子开关、稳压电路组成。所述的整流电路与储能电容连接，所述的储能电容与迟滞自锁电路连接，所述的迟滞自锁电路与电子开关连接，所述的电子开关与稳压电路连接，稳压电路与应用电路连接。

3、然而，上述现有技术方案存在以下技术缺陷：现有方案未构建环境振动能量的优先调度策略，未能最大化利用压电采集的环境振动能，过度依赖后备电池供电，导致无源振动传感节点的能量自给能力不足，难以满足工业场景中长期自主运行的需求。现有方案的电源切换逻辑缺乏硬件互锁与死区控制机制，无法保证主储能与后备电池在切换过程中绝对互斥导通，可能出现两路电源同时导通的直通短路风险，导致供电冲突、系统损坏或运行中断。现有方案未利用超级电容的低等效串联电阻特性对供电母线进行动态补偿，当无源振动传感节点的射频发射模块等工作产生瞬时大电流消耗脉冲时，无法抑制由此造成的电压跌落，导致供电母线波动大，影响节点数据采集与通信的可靠性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种无源振动传感节点的自适应供电调度方法及系统，采用滞回比较与硬件互锁逻辑的供电决策机制，结合压电振动能量收集与多级储能架构，能够实现无源振动传感节点供电电源的智能优先级调度与稳定切换

2、上述目标可以通过如下方案实现：

3、一种无源振动传感节点的自适应供电调度方法及系统，包括获取压电换能器基于振动产生的交流电，经整流后导入前级储能电容累积电荷生成前级电压信号；对该信号进行阻抗匹配与电压变换，生成能量转移电流并注入后级超级电容存储，得到超级电容电压信号；经滞回比较与硬件互锁逻辑处理生成供电切换信号，据此优先调度超级电容供电，能量不足时自动切换至后备电池为无源振动传感节点补电。

4、可选地，所述生成前级电压信号包括：接收压电换能器输出的原始交流电信号并进行全波整流处理，生成脉动直流电信号；将所述脉动直流电信号汇聚至前级储能电容的极板进行微弱电荷的持续缓慢累积，生成初始累积电荷量；监测所述初始累积电荷量在前级储能电容两端形成的电势差，生成前级电压信号。

5、可选地，所述生成能量转移电流包括：采集所述前级电压信号并进行电压阈值检测，生成前级激活触发信号；响应于所述前级激活触发信号，控制开关变换器进行高频斩波处理，生成高频脉冲电流；对所述高频脉冲电流进行平滑滤波，并对能量输入端阻抗与输出端负载阻抗进行自适应匹配及电气隔离，生成能量转移电流。

6、可选地，所述生成超级电容电压信号包括：获取所述能量转移电流并进行单向导通控制，生成单向注入电流；引导所述单向注入电流进入后级超级电容进行大容量能量缓冲存储，生成动态储能电量；转换所述动态储能电量为后级超级电容两端的实时电势状态，生成超级电容电压信号。

7、可选地，所述生成电压状态判定信号包括：将所述超级电容电压信号与滞回比较器的上限阈值进行比对，生成充电饱和状态信号；将所述超级电容电压信号与滞回比较器的下限阈值进行比对，生成电量耗尽预警信号；综合所述充电饱和状态信号与电量耗尽预警信号进行状态保持与翻转控制，生成电压状态判定信号。

8、可选地，所述生成供电切换控制信号包括：将所述电压状态判定信号输入硬件互锁模块进行电平互斥处理，生成第一驱动电平与第二驱动电平；将所述第一驱动电平施加至连接后级超级电容的第一开关管控制端，对应控制第一开关管导通或关断，形成超级电容供电通路的导通状态或关断状态；将所述第二驱动电平施加至连接后备电池的第二开关管控制端，对应控制第二开关管导通或关断，形成后备电池供电通路的导通状态或关断状态；通过硬件互锁逻辑保证第一开关管与第二开关管不同时导通，结合超级电容、后备电池的通路通断状态，生成用于优先级供电调度的供电切换控制信号。

9、可选地，所述将所述电压状态判定信号输入硬件互锁模块进行电平互斥处理，生成第一驱动电平与第二驱动电平包括：提取所述电压状态判定信号的上升沿特征与下降沿特征，生成对应的沿触发脉冲；将所述沿触发脉冲输入死区时间生成电路进行延时阻断处理，生成用于错开开关管通断时序的死区隔离信号；对所述死区隔离信号与电压状态判定信号进行叠加互斥逻辑运算，生成第一驱动电平与第二驱动电平。

10、可选地，所述依据所述供电切换控制信号，优先调度后级超级电容为无源振动传感节点供电，超级电容能量不足时切换后备电池补充供电包括：响应所述供电切换控制信号，默认导通第一开关管、关断第二开关管，由后级超级电容优先为无源振动传感节点供电；当超级电容电压信号降至滞回比较器下限阈值时，判定储能不足，关断第一开关管、导通第二开关管，切换后备电池为传感节点供电；当超级电容电压信号回升至滞回比较器上限阈值时，判定储能充足，重新导通第一开关管、关断第二开关管，恢复超级电容优先供电模式。

11、可选地，所述生成用于优先级供电调度的供电切换控制信号之后还包括：获取供电切换控制信号作用下形成的稳定供电母线电压；利用后级超级电容低等效串联电阻特性，抑制瞬时大电流造成的电压跌落；对供电母线电压进行动态平滑补偿，将母线电压波动控制在供电要求阈值内，生成高稳定性平滑供电电压。

12、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种无源振动传感节点的自适应供电调度系统，所述系统包括：能量采集与整流模块，用于获取压电换能器基于工业水泵振动产生的原始交流电信号，并将所述原始交流电信号进行整流处理后导入前级储能电容进行电荷累积，生成前级电压信号；阻抗匹配与变换模块，用于对所述前级电压信号进行阻抗匹配与电压变换，生成能量转移电流；超级电容电压信号生成模块，用于引导所述能量转移电流注入后级超级电容进行能量存储，生成超级电容电压信号；滞回比较模块，用于对所述超级电容电压信号进行滞回比较处理，生成电压状态判定信号；供电切换执行模块，用于接收所述电压状态判定信号并执行硬件互锁逻辑处理，生成供电切换控制信号，依据所述供电切换控制信号，优先调度后级超级电容为无源振动传感节点供电，超级电容能量不足时切换后备电池补充供电。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

14、本发明通过优先调度采集能量供电，利用了环境振动能，提升了系统的能量自给率。

15、本发明通过硬件互锁与死区控制逻辑，确保了主备电源切换过程的绝对安全与无缝衔接，降低了供电冲突风险。

16、本发明利用超级电容对供电母线进行动态补偿，抑制了瞬时大电流负载造成的电压跌落，保证了供电电压的平稳性。

17、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。