正交试验方法在轮胎内置式智能传感器自供能系统的应用

林杰新 洪晓斌

（1.中国电信股份有限公司广东研究院 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

1 引言

机动车运行安全状态监测技术是保证机动车安全行驶的主要手段，采用该技术对机动车运行安全状态和运行指标进行动态监测，可及时发现和预防机动车故障。发展监测、控制、管理和决策于一体的安全监控网络体系，对机动车安全运行具有重要意义[1]。

目前，轮载式智能传感是机动车运行安全检测技术的发展趋势。然而当前机动车上轮载式智能传感器供电方式一般采用外接小容量电池，如 1.5V/节等，存在对车载智能传感器难以持续而稳定的供电，需要定时拆卸更换电池等问题，更重要的是供电量下降直接影响到相关传感器数据的准确性和传输，这已成为机动车轮载式智能监测技术发展的瓶颈。因此机动车轮载式智能传感系统采用自供电方式将成为一种有效方法[2,3]。论文在前期基于RFID的轮胎内置式智能传感器自供能系统研究中发现[4]，发射端和接收端在规定的间距下，难以达到所要求的输出功率，其中RLC优化组合是关键[5]。因此，本文引入正交试验方法，研究RLC最优组合。

2 基于RFID的轮胎内置式智能传感器自供能系统

本文基于前期研究工作的基础上，成功实现了一种基于RFID的轮胎内置式智能传感器自供能系统，总体结构如图1所示。

图1 自供能系统

系统主要由接收端、发射端、监控终端三部分组成，通过电感耦合的方式由安装在车轮附近的发射端给安装于轮毂上嵌入多类型传感器的标签接收端实施无线供电，同时在接收端上应用超级电容进行储电，利用RFID技术实时反馈接收端传感器数据和超级电容相关参数到发射端，并实现在发射端停供电情况下，接收端依然能根据需要检测和发射数据。在此基础上，发射端通过Zigbee（无线通信）方式向驾驶室的监控终端传输检测数据，最终基于GPRS实现车联网总体监控模式。其特征有：① 车轮附近的发射端与飞速旋转的车轮轮毂上的接收端实现持续有效的无线供能，接收端将数据无线反馈到发射端。发射端与监控终端通过Zigbee方式相互联系，实现检测与控制的功能；各监控终端与远程监控管理服务器交换数据，最终形成一个整体监控的车联网体系；② 发射端通过变压、振荡后得到一定的频率以实现电感耦合；接收端采用整流、滤波、稳压等电路后，可给标签电路和传感器在线供电，同时利用超级电容将电能储存起来；③ 实现对超级电容电压在线识别，超级电容储存电能达到2.7V，并因故障或者发射端断电无法给接收端传输电能时，超级电容可为电路暂时提供电源。标签电路中机动车安全监测数据通过无线射频方式反馈到发射端。

3 正交试验设计

正交试验设计（Orthogonal Experimental Design）是研究多因素多水平的一种设计方法，是解决多因素实验问题的有效统计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。通过对正交实验结果分析，可以确定各因素及其交互作用对实验指标影响的主次关系,用比较少的实验次数获得最优或较优的一组方案，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

本实验通过正交试验选择最优的 RLC组合，以达到输出端功率的最大化。试验涉及发射端的电阻、电感、电容，以及接收端的电感、电容的选择。由于在频率一定的条件下，电容和电感成一一对应的关系，即电容确定时电感也就确定了。自供能系统发射端频率为 125kHz，所以，实验因素确定发射端的电阻A、电容B以及接收端的电容C，考虑到系统实际条件，各因素选为3水平，如表1所示。

表1 正交试验因素水平

而根据电感所能承受的最大电流可以得到电阻取值在0Ω～100Ω之间，实验取值为1Ω、10Ω、47Ω，发射端电容因素 B的水平选择为 472pF、47kpF和10kpF，接收端电容因素C的水平选择为47kpF、10kpF和472pF。而试验的评价指标则为接收端的输出电压，电压越大则效果越好，因此选用试验次数少的正交表L9(34)即可满足要求，如表2所示。

表2 L9(34)正交表

4 实验过程与注意事项

本实验的目的在于选择最优RLC组合，因此接收端的负载是在 MC34063A的降压电路输出后用1kΩ的电阻作为分压，加上一个LED灯作为负载，从而提升接收端供电效果的视觉显示。实验过程中，发射端与接收端距离不需要改变，设定为3cm的固定距离，电路的谐振频率设定为125kHz的低频率。

由表2可知，本次试验要进行9次测试，具体过程可分为三个步骤：① RLC元件的准备及分组搭配。试验前必须根据计算得出的数值提前制作好所需线圈，同时根据正交表，将9次试验的元件分组搭配好；② 按照正交表的顺序依次进行试验，每一次试验中元件的变更，需要注意避免电路板上焊盘的脱落；③仔细测量并记录数据。准确的数据是试验合理分析的关键，每次试验后应及时记录当前的数据，同时进行初步分析，考虑当前数据的合理性，如发现数据有较大的偏离，应及时调整重测数据。

5 实验结果与分析

采用上述试验方法对L9(34)中的不同参数组合进行实际试验，得到表3的正交试验结果。

根据表3可计算A、B、C三个因素各自的极差Rj为59.45、27.57、29.42。依据极差Rj大小可知，因素效应关系为：发射端电阻值影响最大，接收端电容值次之，发射端电容值影响最小。由表3可知，为使接收端输出电压达到最大，最优的因素组合为：发射端电阻值为1Ω、发射端电容值为10kpF和接收端电容值为10kpF。

表3 正交试验结果

6 结束语

基于RFID的轮胎内置式智能传感器自供能系统的研发成功将为车联网的快速发展奠定良好基础[6]。实验过程表明自供能系统的发射端和接收端在选择电容、电感值时，要尽量使它们一致，这样效果会比较明显。在频率为125k的条件下，发射端的电阻对输出电压影响最大，电容值在10nF附近为较优值。解决了发射端和接收端的电阻、电感、电容值最佳匹配问题，下一步工作将从发射端和接收端的耦合线圈大小、线圈个数及线圈组合方式等方面进行研究，以期望获得更远的供能距离。

[1]潘梦鹞,周岳斌,刘桂雄.机动车运行安全检测模式及发展分析[J].现代制造工程,2009(5):12-16.

[2]李平,贾朝波,文玉梅,等.采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究[J].仪器仪表学报,2010,31(11):2629-2635.

[3]李程.车用无线胎压监测技术[J].测试技术,2007:59-63

[4]吴斯栋,黄维沛,刘建瓴,等.车联网多传感器自功能系统储能稳压电路设计[J].自动化与信息工程,2012,33(1):13-16.

[5]Mahlknecht,Stefan Kazmierski,Tom J. Grimm,Christoph Wang,Leran. Wireless communication and energy harvesting in automobiles[C]. Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE),2011:1-6.

[6]Pacheco V M,de Freitas L C ,Vieira J B ,et al. Online no-break with power factor correction and output voltage stabilization[J]. Power Electronics,IEEE Transactions on,2005,20(5):1109-1117.