铁路系统中传感器的低功耗电源管理系统设计

蒋敏建

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545007）

0 引 言

铁路传感器系统作为铁路运营与监控的重要组成部分，在现代铁路系统中发挥着不可或缺的作用[1-3]。该类系统具备实时监测、数据采集以及远程通信等功能，可以确保铁路系统的安全和高效运行[4-5]。其中，无线传感器网络的稳定运行和长期维护所需的电源管理方案一直是一个备受关注的问题[6-8]。由于铁路线路和传感器节点布置较为分散，并且通常位于较为偏远的地区，如何确保这些传感器节点的长期稳定运行成为一个复杂且具有挑战性的问题。本研究着重关注铁路传感器系统的低功耗电源管理，以应对现有无线传感器系统在长期运行中可能面临的电源不足、能耗不合理等问题。

首先，对铁路系统的无线传感器网络架构进行深入研究，为后续的电源管理系统设计提供必要的约束条件。其次，本研究聚焦于模块化的传感器硬件设计，旨在构建一个高效且可扩展的传感器节点设计框架，同时将其作为低功耗能量管理模块的基础。最后，在电源管理系统的设计方面，深入研究能量管理电路和能量管理策略，旨在实现对传感器节点的电源管理系统进行优化，并提出改进型的能量管理策略，以进一步降低功耗。

1 低功耗铁路传感器网络架构设计

本文设计的铁路系统的无线传感器网络架构包括控制中心和无线传感器网络2 个主要部分[9-10]。无线传感器节点布置在铁路系统中，包括无线温度传感器、无线防撞传感器、无线风速传感器以及无线振动传感器等，可以监测与铁路运营相关的各种物理参数。传感器节点被部署后，会根据其设计用途连续采集相关数据，并通过内置的无线通信模块传输到所属的无线数据接收控制器。然后，这些数据通过通信网络传输到控制中心。通过该系统架构，铁路运营部门能够实时监测铁路系统的各项参数，及时分析数据并发现可能存在的问题，确保铁路系统的安全性和运行效率。

2 无线传感器节点的低功耗设计

2.1 无线传感器节点的硬件设计

传感器节点采用模块化设计，包括传感模块、处理器模块以及无线通信模块，同时使用能量管理模块为其提供电源，具体如图1 所示。

图1 模块化的传感器节点

传感模块是其核心部分，负责采集环境中的各种参数，如温度、防撞情况、风速和振动等。该模块会定期或实时地获取数据，并将这些数据传递给处理器模块以进行放大、滤波等处理。无线通信模块负责将处理器模块生成的数据传输到控制中心的无线数据接收控制器。

能量管理模块在传感器节点中具有关键作用，能为传感模块、处理器模块以及无线通信模块提供电源。能源管理模块可以监测和控制电池或其他电源的供电情况，确保传感器节点在长期运行期间不会因电力不足而中断工作。此外，它还能根据传感器节点的工作需求来调整电源分配，将电力优化分配给不同的模块，以降低功耗、延长电池寿命，并确保系统的可靠性。

为了实现传感器模块的低功耗电源管理系统，本研究设计了一个能量管理电路，由电池、电源接口电路、电源电路Ⅰ、处理器模块、电源电路Ⅱ以及功耗模块组成。

处理器模块由电源电路Ⅰ供电。在低功耗状态，处理器模块处于休眠状态，并经内部时钟定期唤醒经电源电路Ⅱ对传感模块供电。如果在一段时间内未接收到来自传感模块的信号，处理器模块将持续进入休眠状态，因为休眠状态下处理器模块的能耗较低。

该系统的核心在于传感器信号的接收。当传感器模块探测到与铁路运营相关的数据，如温度、防撞、风速或振动等信息，传感器模块将这些数据传输给处理器模块。一旦处理器模块接收到传感器数据，它将进入持续的激活状态，控制电源电路Ⅱ持续给传感模块供电。此时，传感模块以高功率工作，会探测并传输大量数据给处理器模块，这意味着系统在接收到传感器信号后能够立即采取措施，执行必要的操作，如触发警报、采集更多数据等。

该系统的工作原理使其能够在需要时快速响应传感器数据，同时在不活跃时最大限度地降低功耗，延长电池的使用时间。这种智能的能源管理策略确保了系统的高效性，同时满足了长期运行和低功耗的要求，尤其在铁路传感器系统这样的远程环境下具有重要意义。

2.2 低功耗能量管理策略研究

能量管理策略中的状态转换理论是调节系统激活和休眠状态的关键[11]。如图2 所示，T1之前的系统状态为高功率Pm，T1为系统开始从高功率Pm转变为低功率Pn的时刻；接着，系统在T1时刻开始进行状态切换并于Tdk时刻到达低功耗Pn；保持低功耗状态一段时间后，系统在Tuk时刻从低功耗Pn开始向高功耗Pm转变，并在T2时刻达到Pm。

图2 能量管理策略

从T0到T1的功耗可以表示为

式中：Edown和Eup分别为T1～Tdk和Tuk～T2阶段的功耗。

在该过程中，缩短从Pm到Pn状态的切换时间T1～Tdk可以减少切换过程中的能量损失；延长系统在低功耗Pn下的时间，即延长Tdk～Tuk，可以降低整体功耗；控制Tuk～T2的时间，可以确保从低功耗状态到高功耗状态的切换尽量迅速，以减小过渡过程中的功耗；最小化系统在高功耗Pm下的时间，即尽量缩短T2～T，可以降低整体功耗水平。

2.3 能量管理策略优化方法

在上述低功耗策略设计的基础上，为了进一步提高能源管理策略的效率，提出了新的改进策略。本研究引入自适应功耗模块激活策略，能根据传感器数据的频率和重要性动态调整功耗模块的激活频率。该策略可以在需要时提高功耗模块的响应速度，从而降低过渡过程中的功耗。

定义激活频率为fa，该频率下的功耗为Pmactive(fa)，则系统高功耗Pm的组成为

式中：Pnstatic为静态功耗；Pmactive为激活时的功耗。系统在Pn状态下的功耗直接等于静态功耗Pnstatic。

为了优化状态切换的时间点、缩短从低功耗状态到高功耗状态的切换时间，并最小化高功耗状态下的持续时间，改进的功耗管理策略下的总功耗Etotal为

通过这一改进的策略，系统可以根据传感器数据的需求，动态调整传感模块的激活频率，优化低功耗状态下的持续时间，并最小化高功耗状态下的时间，从而降低系统的总功耗。这个策略的关键在于动态适应，以便系统能够根据实际需求最大限度地减小功耗，同时保持系统的高响应性。

3 分析与讨论

本文主要围绕铁路系统中传感器的低功耗电源管理策略展开了详细的研究与探讨。先介绍了传感器系统的架构和能源管理电路的设计，然后深入研究了系统的状态转换过程。

改进的低功耗管理策略引入了自适应功耗模块激活策略，根据传感器数据的频率和重要性，动态调整功耗模块的激活频率。该策略的创新性在于允许系统实时响应不同传感器数据采集的需求，从而最大限度地减小不必要的功耗。通过调整激活频率，系统可以在需要时提高功耗模块的响应速度，同时在不需要时降低功耗，实现动态的能源管理。这种策略在传感器系统中的应用将使系统更加智能和高效。

此外，本文提出了状态切换的优化方法，以确保在低功耗状态下的持续时间最大化。这一优化有助于降低在状态切换过程中的功耗，从而减小系统的总功耗。同时，通过最小化高功耗状态下的持续时间，有效减小了系统的功耗。通过这些优化方法，系统能在不同状态之间更加平滑和高效的切换。

需要注意的是，改进的策略需要根据具体的传感器系统和应用环境进行调整与优化。例如，激活频率的选择应根据传感器数据的特性和实际需求进行权衡。同样，状态切换时间的优化取决于系统的运行情况和硬件限制。在实际应用中，需要详细的参数调整和性能评估。

4 结 论

本研究聚焦于铁路传感器系统的低功耗电源管理，以应对长期运行的需求。一方面，本文通过详细介绍系统架构和能源管理电路的设计，为后续的分析和改进奠定了基础。另一方面，本文提出的创新策略包括自适应功耗模块激活和状态切换的优化，为系统提供了更加智能和高效的能源管理方式。这一策略有望降低能源消耗、延长电池寿命，同时提高系统的性能和可持续性。需要指出的是，改进策略的具体应用需要根据不同的传感器系统和环境条件进行调整与优化。实际应用中还需要进一步的研究和实验，以验证其有效性和可行性。本研究为铁路传感器技术的发展提供了有价值的探索和创新方向，有望进一步提高铁路系统的可靠性和安全性。