正交試驗(yàn)方法在輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)的應(yīng)用

林杰新 洪曉斌

（1.中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

1 引言

機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是保證機(jī)動(dòng)車(chē)安全行駛的主要手段，采用該技術(shù)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全狀態(tài)和運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防機(jī)動(dòng)車(chē)故障。發(fā)展監(jiān)測(cè)、控制、管理和決策于一體的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)安全運(yùn)行具有重要意義[1]。

目前，輪載式智能傳感是機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。然而當(dāng)前機(jī)動(dòng)車(chē)上輪載式智能傳感器供電方式一般采用外接小容量電池，如 1.5V/節(jié)等，存在對(duì)車(chē)載智能傳感器難以持續(xù)而穩(wěn)定的供電，需要定時(shí)拆卸更換電池等問(wèn)題，更重要的是供電量下降直接影響到相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸，這已成為機(jī)動(dòng)車(chē)輪載式智能監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此機(jī)動(dòng)車(chē)輪載式智能傳感系統(tǒng)采用自供電方式將成為一種有效方法[2,3]。論文在前期基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)[4]，發(fā)射端和接收端在規(guī)定的間距下，難以達(dá)到所要求的輸出功率，其中RLC優(yōu)化組合是關(guān)鍵[5]。因此，本文引入正交試驗(yàn)方法，研究RLC最優(yōu)組合。

2 基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)

本文基于前期研究工作的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了一種基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自供能系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由接收端、發(fā)射端、監(jiān)控終端三部分組成，通過(guò)電感耦合的方式由安裝在車(chē)輪附近的發(fā)射端給安裝于輪轂上嵌入多類(lèi)型傳感器的標(biāo)簽接收端實(shí)施無(wú)線(xiàn)供電，同時(shí)在接收端上應(yīng)用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)電，利用RFID技術(shù)實(shí)時(shí)反饋接收端傳感器數(shù)據(jù)和超級(jí)電容相關(guān)參數(shù)到發(fā)射端，并實(shí)現(xiàn)在發(fā)射端停供電情況下，接收端依然能根據(jù)需要檢測(cè)和發(fā)射數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)射端通過(guò)Zigbee（無(wú)線(xiàn)通信）方式向駕駛室的監(jiān)控終端傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)，最終基于GPRS實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)總體監(jiān)控模式。其特征有：① 車(chē)輪附近的發(fā)射端與飛速旋轉(zhuǎn)的車(chē)輪輪轂上的接收端實(shí)現(xiàn)持續(xù)有效的無(wú)線(xiàn)供能，接收端將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)反饋到發(fā)射端。發(fā)射端與監(jiān)控終端通過(guò)Zigbee方式相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制的功能；各監(jiān)控終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，最終形成一個(gè)整體監(jiān)控的車(chē)聯(lián)網(wǎng)體系；② 發(fā)射端通過(guò)變壓、振蕩后得到一定的頻率以實(shí)現(xiàn)電感耦合；接收端采用整流、濾波、穩(wěn)壓等電路后，可給標(biāo)簽電路和傳感器在線(xiàn)供電，同時(shí)利用超級(jí)電容將電能儲(chǔ)存起來(lái)；③ 實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容電壓在線(xiàn)識(shí)別，超級(jí)電容儲(chǔ)存電能達(dá)到2.7V，并因故障或者發(fā)射端斷電無(wú)法給接收端傳輸電能時(shí)，超級(jí)電容可為電路暫時(shí)提供電源。標(biāo)簽電路中機(jī)動(dòng)車(chē)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式反饋到發(fā)射端。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，是解決多因素實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的有效統(tǒng)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以確定各因素及其交互作用對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系,用比較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得最優(yōu)或較優(yōu)的一組方案，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)正交試驗(yàn)選擇最優(yōu)的 RLC組合，以達(dá)到輸出端功率的最大化。試驗(yàn)涉及發(fā)射端的電阻、電感、電容，以及接收端的電感、電容的選擇。由于在頻率一定的條件下，電容和電感成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即電容確定時(shí)電感也就確定了。自供能系統(tǒng)發(fā)射端頻率為 125kHz，所以，實(shí)驗(yàn)因素確定發(fā)射端的電阻A、電容B以及接收端的電容C，考慮到系統(tǒng)實(shí)際條件，各因素選為3水平，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

而根據(jù)電感所能承受的最大電流可以得到電阻取值在0?～100?之間，實(shí)驗(yàn)取值為1?、10?、47?，發(fā)射端電容因素 B的水平選擇為 472pF、47kpF和10kpF，接收端電容因素C的水平選擇為47kpF、10kpF和472pF。而試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)則為接收端的輸出電壓，電壓越大則效果越好，因此選用試驗(yàn)次數(shù)少的正交表L9(34)即可滿(mǎn)足要求，如表2所示。

表2 L9(34)正交表

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與注意事項(xiàng)

本實(shí)驗(yàn)的目的在于選擇最優(yōu)RLC組合，因此接收端的負(fù)載是在 MC34063A的降壓電路輸出后用1k?的電阻作為分壓，加上一個(gè)LED燈作為負(fù)載，從而提升接收端供電效果的視覺(jué)顯示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)射端與接收端距離不需要改變，設(shè)定為3cm的固定距離，電路的諧振頻率設(shè)定為125kHz的低頻率。

由表2可知，本次試驗(yàn)要進(jìn)行9次測(cè)試，具體過(guò)程可分為三個(gè)步驟：① RLC元件的準(zhǔn)備及分組搭配。試驗(yàn)前必須根據(jù)計(jì)算得出的數(shù)值提前制作好所需線(xiàn)圈，同時(shí)根據(jù)正交表，將9次試驗(yàn)的元件分組搭配好；② 按照正交表的順序依次進(jìn)行試驗(yàn)，每一次試驗(yàn)中元件的變更，需要注意避免電路板上焊盤(pán)的脫落；③仔細(xì)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是試驗(yàn)合理分析的關(guān)鍵，每次試驗(yàn)后應(yīng)及時(shí)記錄當(dāng)前的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行初步分析，考慮當(dāng)前數(shù)據(jù)的合理性，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有較大的偏離，應(yīng)及時(shí)調(diào)整重測(cè)數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用上述試驗(yàn)方法對(duì)L9(34)中的不同參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，得到表3的正交試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)表3可計(jì)算A、B、C三個(gè)因素各自的極差Rj為59.45、27.57、29.42。依據(jù)極差Rj大小可知，因素效應(yīng)關(guān)系為：發(fā)射端電阻值影響最大，接收端電容值次之，發(fā)射端電容值影響最小。由表3可知，為使接收端輸出電壓達(dá)到最大，最優(yōu)的因素組合為：發(fā)射端電阻值為1?、發(fā)射端電容值為10kpF和接收端電容值為10kpF。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

基于RFID的輪胎內(nèi)置式智能傳感器自供能系統(tǒng)的研發(fā)成功將為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)[6]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程表明自供能系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端在選擇電容、電感值時(shí)，要盡量使它們一致，這樣效果會(huì)比較明顯。在頻率為125k的條件下，發(fā)射端的電阻對(duì)輸出電壓影響最大，電容值在10nF附近為較優(yōu)值。解決了發(fā)射端和接收端的電阻、電感、電容值最佳匹配問(wèn)題，下一步工作將從發(fā)射端和接收端的耦合線(xiàn)圈大小、線(xiàn)圈個(gè)數(shù)及線(xiàn)圈組合方式等方面進(jìn)行研究，以期望獲得更遠(yuǎn)的供能距離。

[1]潘夢(mèng)鷂,周岳斌,劉桂雄.機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全檢測(cè)模式及發(fā)展分析[J].現(xiàn)代制造工程,2009(5):12-16.

[2]李平,賈朝波,文玉梅,等.采用磁電自供能的能量?jī)?chǔ)存和電源管理電路研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(11):2629-2635.

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