無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的選擇

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的選擇摘要：為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量自給，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行環(huán)境，結(jié)合能量采集技術(shù)的特點，對各種能量采集方式進行分析比較，提出了能量采集和管理方案選擇的具體原則，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的確定，具有很強的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 電源方案；能量采集Abstract： Key Words： 0 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被密集部署在監(jiān)測環(huán)境中，通常運行在無人值守或人無法接近的惡劣甚至危險環(huán)境中1，如何將周圍環(huán)境中的有效能源轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能量，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)路的能量自給是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計中的關(guān)鍵問題。能量采集技術(shù)為這些關(guān)鍵問

2、題的解決提供了一種可行性方案。常見的能量采集技術(shù)有：振動能量采集、熱能采集、太陽能采集、射頻能采集等等。本文將從能量來源、適用范圍、成本及優(yōu)缺點等方面對各種能量采集技術(shù)進行分析比較，并提出系統(tǒng)使用成本低性價比高的能量采集方案的具體原則，達到了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命周期，的目的。1 能量的采集和使用選 圖1所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量采集與使用原理框圖。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點從其所處的環(huán)境中收集各種可利用的能源，將其轉(zhuǎn)換為電能傳輸?shù)侥芰看鎯εc管理模塊，當(dāng)節(jié)點需要電能時，將能量從能量存儲與管理模塊中取出，經(jīng)傳輸?shù)竭_無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的各個元器件處，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲器、射頻收發(fā)器等，供其工

3、作所使用，保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)對電源的需求，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期有效的供電。圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量采集與使用由圖1可知，傳感器節(jié)點所處環(huán)境不同，環(huán)境中可以收集的能源也不相同，采用某一特定的能量采集技術(shù)難以保證任何環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均能可靠地獲取所需能量。因此，需對多種能量采集技術(shù)進行性能分析比較，以便選出性價比最高的能量采集方案。2 能量采集技術(shù)性能分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)周圍環(huán)境中存在各種能源，不同的能源對應(yīng)于不同的能量采集方法，如何根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境選擇出性價比最高的能量采集方案，是延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期和降低其系統(tǒng)成本的關(guān)鍵，下面將從不同方面對不同環(huán)境下能量采集技術(shù)的

4、性能進行分析，以便為性價比高的能量采集方案的選擇提供可靠依據(jù)。2.1 振動能量采集振動是一種廣泛存在的現(xiàn)象，特別是在汽車、飛機、橋梁或大型機械等多種場合中，而這些場合往往是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的重點領(lǐng)域，因此振動能具有廣泛的來源。振動能量采集就是采集機械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它建筑架構(gòu)產(chǎn)生的一般機械振動能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，無需布線和電池，就可驅(qū)動傳感器的一種能量采集技術(shù)。具有振動能量采集功能的小型傳感器可安裝到車門、電動馬達基座等狹小空間中，還可安裝到大型機械、建筑物或橋梁等場合中。傳感器在這里無需電池、電源線路或通信布線即可進行工作，而且能夠在不需要維護的情況下無限期工作。因此，該技

5、術(shù)尤其適合需要長使用壽命、高溫運行或者人員難以接近的應(yīng)用中。振動能采集方式有壓電式、電磁式和靜電式，其中壓電式發(fā)電機因具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、易于微型化等優(yōu)點，成為目前微型能量采集材料研究的熱點之一2。影響振動能采集輸出電壓和能量的因素有：壓電材料和振動頻率。采用壓電式振動能采集設(shè)備具有體積小、綠色無污染的優(yōu)點，而且壓電材料尺寸越小，壓電效率越高，如當(dāng)它們的厚度介于20納米至23納米之間時，其壓電效率提高了100%，但是成本就會越高；電量輸出和振動頻率增加成線性關(guān)系，同振動力的增加成指數(shù)關(guān)系3，因此，當(dāng)振動微弱或振動頻率不穩(wěn)定時就無法為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電源。2.2 太陽能采集太陽能是一種

6、“取之不盡，用之不竭”既節(jié)能又環(huán)保的新能源，有著及其廣泛的來源；無地域的限制，無論是陸地、海洋、高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)利用，且無需開采和運輸。太陽能采集就是將太陽能或光能轉(zhuǎn)化為電能，將轉(zhuǎn)化后的電能供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作使用的一種能量采集技術(shù)。此技術(shù)可以用于解決不可再生資源的枯竭，能源的緊缺，環(huán)境的污染等問題。針對工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)以及商業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用推出了可將環(huán)境光轉(zhuǎn)換為電源的太陽能采集開發(fā)套件，充分滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計人員對可替代能源的需求。尤其在光照充足的偏遠地區(qū)和危險環(huán)境區(qū)，開發(fā)人員可以構(gòu)建基于太陽能的自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而無需定期花費時間與金錢進行系統(tǒng)維護和電池更換

7、。通過將 Cymbet 的 EnerChip 技術(shù)與 TI 的 MSP430 微處理器和 CC2500 RF 技術(shù)完美集成在一起，太陽能采集器無論在強光還是弱光環(huán)境中都能實現(xiàn)更高效的能量存儲、能量處理及能量傳輸。EnOcean 的太陽能采集模塊采用了一種多晶硅太陽能電池。多晶硅電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率為 11%16%，無電力網(wǎng)地區(qū)的民用和工業(yè)用太陽能板系統(tǒng)是人們很熟悉的裝置。另一種常見的太陽能電池是非晶硅電池，但它的效率只有多晶硅的一半（8%）。除了轉(zhuǎn)換效率低的缺點以外，在陽光直射下非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率每年還要衰減 15% 35%。盡管有這些明顯的缺點，但非晶硅的應(yīng)用仍很普遍，因為它們的成

8、本要比多晶硅低一個數(shù)量級，這對大批量消費、低功耗電子來說，是一個顯著優(yōu)勢。例如，一塊典型的55mm11mm 多晶硅電池價格為 3 美元，而同樣一塊非晶硅電池只有不到 25 美分4。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點屬于低功耗器件，非晶硅電池就可滿足其供電需求，這樣不但實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自給而且降低了系統(tǒng)成本。還可將太陽能采集套件置于光照好的環(huán)境中，并增大光照面積，從而得到更多的電能。雖然太陽能來源廣泛，但是太陽能具有分散性和不穩(wěn)定性5。雖然到達地面的太陽能總量很大，但是能流密度很低，甚至有些地方光照時間很短，因此，太陽能采集器必須具有足夠的存儲能力、強光敏度和高效的轉(zhuǎn)化率，以便在微光照條件下，為無線傳

9、感器網(wǎng)絡(luò)提供充足的電能。然而存儲能力、光敏度和轉(zhuǎn)化率的提高卻大大增加了系統(tǒng)成本，使用時要慎重考慮。2.3 熱能采集熱能來源廣泛，包括物體發(fā)出的熱量、機械工作散發(fā)的熱量、陽光、雨水和空氣中熱量。熱能采集是將環(huán)境的溫差轉(zhuǎn)化為電勢，從而將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)化為電能，直接為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供電能。 熱能采集可用于各種無人監(jiān)視的低功耗的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究儀器3。根據(jù)熱源的穩(wěn)定性情況，熱能采集在作為電源的實際應(yīng)用中，可以選擇以下兩種方式中的一種：若熱源足夠大且穩(wěn)定，則直接使用；否則作為電池或其他能量存儲器件充電的方式使用。如果熱能要被視為一種穩(wěn)定的電源，就必須考慮熱源的穩(wěn)定性。沒

10、有穩(wěn)定的熱能源就無法進行持續(xù)的熱能采集，就無法為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供充足的電能。影響熱能采集的因素還有：電阻率、導(dǎo)熱性和標準溫標下的工作溫度7。熱能采集器用于能量的轉(zhuǎn)換必然存在熱流量，該熱流量必須通過熱能采集器流入與流出，所以熱能采集器必須具備良好的導(dǎo)熱性；又因為熱能采集器具有較高的熱阻，其器件外的熱流量會影響附近區(qū)域系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，系統(tǒng)必須具備良好的散熱性。2.4 射頻能量采集射頻能在我們的生活空間是無處不在，電視信號、無線電廣播網(wǎng)和手機天線塔等發(fā)出的高頻電磁波都載有射頻能量。射頻能量采集是通過天線接收周圍環(huán)境中的射頻能，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)調(diào)制變?yōu)橹绷麟?，供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作使用

11、的一種能量采集技術(shù)。射頻能量采集器可被部署在Wi-Fi路由網(wǎng)絡(luò)中或具有多發(fā)射機廣域覆蓋的移動基站中，可根據(jù)應(yīng)用需求對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行充電或為其提供持續(xù)的電能；還可以用于地級農(nóng)業(yè)傳感器，HVAC供電和能源管理，以及布置在進行健康監(jiān)測，定位跟蹤傳感器設(shè)備中8。射頻能與振動能、太陽能和熱能不同，它不受振動強弱、光照和溫度的影響。當(dāng)建筑物內(nèi)部經(jīng)常只有低光照甚至無光照條件，不可使用太陽能采集時；當(dāng)傳感器被布置于墻壁內(nèi)或天花板上時，當(dāng)室內(nèi)也不可能提供合適的溫度梯度，甚至微弱的振動時，射頻能采集卻可將周圍環(huán)境中的射頻能轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。但由于射頻能的空間密度非常低，隨離能量源距離的增加射頻

12、能不斷減少7，因此帶有能量采集功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須布置在靠近基站的位置，一般為3100米。實現(xiàn)遠距離射頻能采集，勢必要以系統(tǒng)的高額成本來換取高能量采集效率和轉(zhuǎn)化率。3 電源的選擇方案在實際應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置被在不同環(huán)境中，我們可以根據(jù)目標環(huán)境來選擇特殊的能源供給方式。由上述能量采集方案的性能分析，我們可得出能量采集方案的具體原則為：1) 能量來源是否廣泛。如處于在地質(zhì)活動頻繁或大型機械、橋梁等振動資源豐富的地方，采用振動采集；在沙漠這種光照比較充足，光能密度比較大的環(huán)境中時，采用太陽能采集；在環(huán)境中有穩(wěn)定熱源時，采用熱能采集；在無線電信號密集區(qū)或離無線基站近的區(qū)域，可采用射頻能量采

13、集。2) 是否容易實現(xiàn)。環(huán)境中存在那種能源，密度是否足夠大，是否能在不增加硬件成本的前提下實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供能。如存在高溫機械車間中，由于車間空間封閉，熱能采集器又有較高的熱阻，會影響無線傳感器節(jié)點的熱力學(xué)特性，不能有效的將熱量傳入傳出熱能采集器，但是振動能采集卻可以避免溫度問題，車間中大型機械設(shè)備時刻都在振動，且振動頻率穩(wěn)定，要為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電能，振動能量采集比較容易實現(xiàn)。3) 成本是否是最低。當(dāng)環(huán)境中存在多種能源時要考慮使用哪種能量采集可以保證持續(xù)為傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，但是電能轉(zhuǎn)換率最高，系統(tǒng)成本卻最低。如傳感器網(wǎng)絡(luò)被布置在微光照條件下離基站比較近的地方時，光密度比較低，要采用太

14、陽能采集得到足夠的電能就要增加光照面積、提高電能轉(zhuǎn)化率，但射頻能密度比較大，采用射頻能采集可為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電能，而且電能轉(zhuǎn)化效率比較高，成本比較低。4 結(jié)語根據(jù)能量采集技術(shù)及其工作原理，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)應(yīng)用環(huán)境，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量采集方案選擇原則，從而為高性價比電源方案的選擇提供了可靠依據(jù)，實現(xiàn)了用最低成本的、最高性能的能量采集方式為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供持續(xù)的能量。參考文獻：1 孫利民、李建中、陳渝等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M. 清華大學(xué)出版社. 2005-05：1730.2 王強. 基于壓電材料的振動能量采集技術(shù)的研究D. 江蘇：江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2008-06：23253 胡冠山, 姚彥青. 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能量收集管理技術(shù)J. 傳感器世界. 2006 4 Margery Conner，EDN技術(shù)編輯. 從光照、振動中獲取能量的采集器N. 電源技術(shù). 2006.5 韓建軍, 劉明輝, 趙修建. 太陽能收集和傳輸?shù)难芯縅. 動能材料. 2007年增刊（38卷）7 Motoki Ujihara, Gregory P. C