鐵路系統(tǒng)中傳感器的低功耗電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣敏建

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545007）

0 引 言

鐵路傳感器系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)營(yíng)與監(jiān)控的重要組成部分，在現(xiàn)代鐵路系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用[1-3]。該類系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程通信等功能，可以確保鐵路系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行[4-5]。其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)期維護(hù)所需的電源管理方案一直是一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題[6-8]。由于鐵路線路和傳感器節(jié)點(diǎn)布置較為分散，并且通常位于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，如何確保這些傳感器節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行成為一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。本研究著重關(guān)注鐵路傳感器系統(tǒng)的低功耗電源管理，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能面臨的電源不足、能耗不合理等問(wèn)題。

首先，對(duì)鐵路系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行深入研究，為后續(xù)的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供必要的約束條件。其次，本研究聚焦于模塊化的傳感器硬件設(shè)計(jì)，旨在構(gòu)建一個(gè)高效且可擴(kuò)展的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架，同時(shí)將其作為低功耗能量管理模塊的基礎(chǔ)。最后，在電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，深入研究能量管理電路和能量管理策略，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并提出改進(jìn)型的能量管理策略，以進(jìn)一步降低功耗。

1 低功耗鐵路傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鐵路系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括控制中心和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)2 個(gè)主要部分[9-10]。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)布置在鐵路系統(tǒng)中，包括無(wú)線溫度傳感器、無(wú)線防撞傳感器、無(wú)線風(fēng)速傳感器以及無(wú)線振動(dòng)傳感器等，可以監(jiān)測(cè)與鐵路運(yùn)營(yíng)相關(guān)的各種物理參數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)被部署后，會(huì)根據(jù)其設(shè)計(jì)用途連續(xù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線通信模塊傳輸?shù)剿鶎俚臒o(wú)線數(shù)據(jù)接收控制器。然后，這些數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹Ｍㄟ^(guò)該系統(tǒng)架構(gòu)，鐵路運(yùn)營(yíng)部門能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鐵路系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)分析數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題，確保鐵路系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行效率。

2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括傳感模塊、處理器模塊以及無(wú)線通信模塊，同時(shí)使用能量管理模塊為其提供電源，具體如圖1 所示。

圖1 模塊化的傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感模塊是其核心部分，負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的各種參數(shù)，如溫度、防撞情況、風(fēng)速和振動(dòng)等。該模塊會(huì)定期或?qū)崟r(shí)地獲取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給處理器模塊以進(jìn)行放大、濾波等處理。無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)將處理器模塊生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡臒o(wú)線數(shù)據(jù)接收控制器。

能量管理模塊在傳感器節(jié)點(diǎn)中具有關(guān)鍵作用，能為傳感模塊、處理器模塊以及無(wú)線通信模塊提供電源。能源管理模塊可以監(jiān)測(cè)和控制電池或其他電源的供電情況，確保傳感器節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)期運(yùn)行期間不會(huì)因電力不足而中斷工作。此外，它還能根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作需求來(lái)調(diào)整電源分配，將電力優(yōu)化分配給不同的模塊，以降低功耗、延長(zhǎng)電池壽命，并確保系統(tǒng)的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的低功耗電源管理系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)能量管理電路，由電池、電源接口電路、電源電路Ⅰ、處理器模塊、電源電路Ⅱ以及功耗模塊組成。

處理器模塊由電源電路Ⅰ供電。在低功耗狀態(tài)，處理器模塊處于休眠狀態(tài)，并經(jīng)內(nèi)部時(shí)鐘定期喚醒經(jīng)電源電路Ⅱ?qū)鞲心K供電。如果在一段時(shí)間內(nèi)未接收到來(lái)自傳感模塊的信號(hào)，處理器模塊將持續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，因?yàn)樾菝郀顟B(tài)下處理器模塊的能耗較低。

該系統(tǒng)的核心在于傳感器信號(hào)的接收。當(dāng)傳感器模塊探測(cè)到與鐵路運(yùn)營(yíng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如溫度、防撞、風(fēng)速或振動(dòng)等信息，傳感器模塊將這些數(shù)據(jù)傳輸給處理器模塊。一旦處理器模塊接收到傳感器數(shù)據(jù)，它將進(jìn)入持續(xù)的激活狀態(tài)，控制電源電路Ⅱ持續(xù)給傳感模塊供電。此時(shí)，傳感模塊以高功率工作，會(huì)探測(cè)并傳輸大量數(shù)據(jù)給處理器模塊，這意味著系統(tǒng)在接收到傳感器信號(hào)后能夠立即采取措施，執(zhí)行必要的操作，如觸發(fā)警報(bào)、采集更多數(shù)據(jù)等。

該系統(tǒng)的工作原理使其能夠在需要時(shí)快速響應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)在不活躍時(shí)最大限度地降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。這種智能的能源管理策略確保了系統(tǒng)的高效性，同時(shí)滿足了長(zhǎng)期運(yùn)行和低功耗的要求，尤其在鐵路傳感器系統(tǒng)這樣的遠(yuǎn)程環(huán)境下具有重要意義。

2.2 低功耗能量管理策略研究

能量管理策略中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換理論是調(diào)節(jié)系統(tǒng)激活和休眠狀態(tài)的關(guān)鍵[11]。如圖2 所示，T1之前的系統(tǒng)狀態(tài)為高功率Pm，T1為系統(tǒng)開(kāi)始從高功率Pm轉(zhuǎn)變?yōu)榈凸β蔖n的時(shí)刻；接著，系統(tǒng)在T1時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行狀態(tài)切換并于Tdk時(shí)刻到達(dá)低功耗Pn；保持低功耗狀態(tài)一段時(shí)間后，系統(tǒng)在Tuk時(shí)刻從低功耗Pn開(kāi)始向高功耗Pm轉(zhuǎn)變，并在T2時(shí)刻達(dá)到Pm。

圖2 能量管理策略

從T0到T1的功耗可以表示為

式中：Edown和Eup分別為T1～Tdk和Tuk～T2階段的功耗。

在該過(guò)程中，縮短從Pm到Pn狀態(tài)的切換時(shí)間T1～Tdk可以減少切換過(guò)程中的能量損失；延長(zhǎng)系統(tǒng)在低功耗Pn下的時(shí)間，即延長(zhǎng)Tdk～Tuk，可以降低整體功耗；控制Tuk～T2的時(shí)間，可以確保從低功耗狀態(tài)到高功耗狀態(tài)的切換盡量迅速，以減小過(guò)渡過(guò)程中的功耗；最小化系統(tǒng)在高功耗Pm下的時(shí)間，即盡量縮短T2～T，可以降低整體功耗水平。

2.3 能量管理策略優(yōu)化方法

在上述低功耗策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高能源管理策略的效率，提出了新的改進(jìn)策略。本研究引入自適應(yīng)功耗模塊激活策略，能根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的頻率和重要性動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗模塊的激活頻率。該策略可以在需要時(shí)提高功耗模塊的響應(yīng)速度，從而降低過(guò)渡過(guò)程中的功耗。

定義激活頻率為fa，該頻率下的功耗為Pmactive(fa)，則系統(tǒng)高功耗Pm的組成為

式中：Pnstatic為靜態(tài)功耗；Pmactive為激活時(shí)的功耗。系統(tǒng)在Pn狀態(tài)下的功耗直接等于靜態(tài)功耗Pnstatic。

為了優(yōu)化狀態(tài)切換的時(shí)間點(diǎn)、縮短從低功耗狀態(tài)到高功耗狀態(tài)的切換時(shí)間，并最小化高功耗狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間，改進(jìn)的功耗管理策略下的總功耗Etotal為

通過(guò)這一改進(jìn)的策略，系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感模塊的激活頻率，優(yōu)化低功耗狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間，并最小化高功耗狀態(tài)下的時(shí)間，從而降低系統(tǒng)的總功耗。這個(gè)策略的關(guān)鍵在于動(dòng)態(tài)適應(yīng)，以便系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求最大限度地減小功耗，同時(shí)保持系統(tǒng)的高響應(yīng)性。

3 分析與討論

本文主要圍繞鐵路系統(tǒng)中傳感器的低功耗電源管理策略展開(kāi)了詳細(xì)的研究與探討。先介紹了傳感器系統(tǒng)的架構(gòu)和能源管理電路的設(shè)計(jì)，然后深入研究了系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程。

改進(jìn)的低功耗管理策略引入了自適應(yīng)功耗模塊激活策略，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的頻率和重要性，動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗模塊的激活頻率。該策略的創(chuàng)新性在于允許系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)不同傳感器數(shù)據(jù)采集的需求，從而最大限度地減小不必要的功耗。通過(guò)調(diào)整激活頻率，系統(tǒng)可以在需要時(shí)提高功耗模塊的響應(yīng)速度，同時(shí)在不需要時(shí)降低功耗，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的能源管理。這種策略在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用將使系統(tǒng)更加智能和高效。

此外，本文提出了狀態(tài)切換的優(yōu)化方法，以確保在低功耗狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間最大化。這一優(yōu)化有助于降低在狀態(tài)切換過(guò)程中的功耗，從而減小系統(tǒng)的總功耗。同時(shí)，通過(guò)最小化高功耗狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間，有效減小了系統(tǒng)的功耗。通過(guò)這些優(yōu)化方法，系統(tǒng)能在不同狀態(tài)之間更加平滑和高效的切換。

需要注意的是，改進(jìn)的策略需要根據(jù)具體的傳感器系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。例如，激活頻率的選擇應(yīng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的特性和實(shí)際需求進(jìn)行權(quán)衡。同樣，狀態(tài)切換時(shí)間的優(yōu)化取決于系統(tǒng)的運(yùn)行情況和硬件限制。在實(shí)際應(yīng)用中，需要詳細(xì)的參數(shù)調(diào)整和性能評(píng)估。

4 結(jié) 論

本研究聚焦于鐵路傳感器系統(tǒng)的低功耗電源管理，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的需求。一方面，本文通過(guò)詳細(xì)介紹系統(tǒng)架構(gòu)和能源管理電路的設(shè)計(jì)，為后續(xù)的分析和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，本文提出的創(chuàng)新策略包括自適應(yīng)功耗模塊激活和狀態(tài)切換的優(yōu)化，為系統(tǒng)提供了更加智能和高效的能源管理方式。這一策略有望降低能源消耗、延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)提高系統(tǒng)的性能和可持續(xù)性。需要指出的是，改進(jìn)策略的具體應(yīng)用需要根據(jù)不同的傳感器系統(tǒng)和環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其有效性和可行性。本研究為鐵路傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了有價(jià)值的探索和創(chuàng)新方向，有望進(jìn)一步提高鐵路系統(tǒng)的可靠性和安全性。