環(huán)境微能源收集技術(shù)及其在WSNs中的應(yīng)用

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 梅燦華 牛 勤 蘇志杰

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環(huán)境微能源收集技術(shù)及其在WSNs中的應(yīng)用

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 梅燦華 牛 勤 蘇志杰

【摘要】微能源收集技術(shù)從外界提取環(huán)境能量，并將它轉(zhuǎn)換為電能供低功耗傳感器等應(yīng)用使用，運(yùn)用收集到的能量可以幫助傳感器節(jié)點(diǎn)擺脫對(duì)于電池壽命的依賴。本文介紹了可以用于傳感器節(jié)點(diǎn)供電的潛在的微能量來(lái)源，闡述了微能源收集技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了其在WSNs中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀、技術(shù)限制及應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】微能源收集；WSNs；超低功耗

微能源收集技術(shù)能夠?qū)⒃S多日常微能源（如光、溫差、無(wú)線電波、振動(dòng)等）巧妙地轉(zhuǎn)化為可用能量，延長(zhǎng)能量受限網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，進(jìn)而得到廣泛關(guān)注。作為能量受限網(wǎng)絡(luò)之一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）的供電主要以電池供電為主，然而電池所攜帶的能量有限，不能滿足傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間工作的需要，尤其是當(dāng)替換或維護(hù)電池不方便或危險(xiǎn)的時(shí)候。隨著近年來(lái)超低功耗芯片及相關(guān)元器件技術(shù)的進(jìn)步，收集環(huán)境微能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電成為可能。將微能源收集技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用環(huán)境當(dāng)中實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自供能或半自供能工作已經(jīng)是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)熱門(mén)方向和研究熱點(diǎn)。

1　引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)組成上看，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)主要由信息采集單元（傳感器）、數(shù)據(jù)處理單元（MCU）、無(wú)線收發(fā)單元（RF）以及小型電池構(gòu)成，尺寸通常很小，具有成本低、超低功耗、多功能等特點(diǎn)；從功能上看，它借助于節(jié)點(diǎn)中的傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)一定范圍內(nèi)的溫度、濕度、磁場(chǎng)、壓力等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將獲取的有價(jià)值信息傳送到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。在交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、汽車和航空電子設(shè)備、遠(yuǎn)程測(cè)量、工業(yè)過(guò)程控制、樓宇自動(dòng)化等多種多樣的應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在使得多種終端、自主無(wú)線監(jiān)測(cè)及監(jiān)視的控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局如圖1所示：

圖1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

為分布式布置的傳感器節(jié)點(diǎn)所所配置的電池容量通常是是十分有限的，為了擴(kuò)大監(jiān)測(cè)的范圍，一些傳感器會(huì)布置在人跡罕至或人很難到達(dá)的地方，例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，高大鋼結(jié)構(gòu)上等處，更換電池或者獲取常規(guī)能源基本不可能或成本極高，這些都是微能源收集技術(shù)極佳的應(yīng)用場(chǎng)景。利用收集到的環(huán)境微能源相比于電池等還具有更高的安全性和可用性、更高的能效及靈活性等。因此，設(shè)計(jì)自供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)有效完成信息采集任務(wù)具有非常重要的意義。本文將介紹環(huán)境中常見(jiàn)的幾種可以用于給傳感器節(jié)點(diǎn)供電的微能量來(lái)源及其收集技術(shù)的進(jìn)展，探討能量收集技術(shù)的應(yīng)用前景。

2　常見(jiàn)環(huán)境微能源

2.1光能

光是目前為止人類已知的最清潔的能源，取之不盡，用之不竭，并且該技術(shù)的發(fā)展最為成熟，在光線充足的地方比較適合用于給傳感器供電。

利用光伏效應(yīng)能直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，中午地表太陽(yáng)直射下太陽(yáng)能電池能夠獲得約幾百mW/cm2的功率密度［1］，室內(nèi)光線條件下其功率密度遠(yuǎn)低于室外，在桌面上的光線可提供約幾百μW/ cm2的功率密度［1］。其不足之處在于易受天氣影響，只能間歇供電，為提高實(shí)用性，需要提升其可用時(shí)的利用效率。

2.2溫差能

在有熱源的情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。一個(gè)熱電器件的核心組件是熱電偶，利用Seeback效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)化成電功率。采用熱電偶收集溫差能時(shí)，為了獲取更高的電動(dòng)勢(shì)，常常串聯(lián)多個(gè)熱電偶形成熱電堆。這樣可形成大約幾十mW/cm2的功率密度［2］，足以讓目前一些功率消耗已經(jīng)達(dá)到mW級(jí)的超低功耗MCU工作，并且在熱源穩(wěn)定的情況下可以為傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電。其應(yīng)用場(chǎng)景如為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)收集利用溫差能，為一些可穿戴設(shè)備收集利用人體表面和外界的溫差能等。但溫差能的收集也存在供電效率低，熱電組件壽命短等問(wèn)題。

2.3射頻

以手機(jī)信號(hào)為代表的無(wú)線通信飛速發(fā)展的今天，環(huán)境射頻能量無(wú)處不在，這些射頻能量來(lái)源包括廣播電視發(fā)射塔、無(wú)線電臺(tái)、雷達(dá)、Wifi、3G及GSM基站，雖然這些射頻信號(hào)的能量都很低，但在合適的距離經(jīng)過(guò)一定的調(diào)制、整流也可以用來(lái)給超低功耗控制電路供電，甚至在某些應(yīng)用場(chǎng)景中可以采用專用發(fā)射機(jī)來(lái)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行控制。Intel labs的實(shí)驗(yàn)人員據(jù)報(bào)道從電視信號(hào)塔附近收集到了大約60μW的功率［3］，拓寬射頻能量收集天線的工作頻帶與增加接收面積可以提高所收集的功率。使用射頻能量作為微能量來(lái)源的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是不受時(shí)間限制，不需要暴露于高溫或有風(fēng)的環(huán)境，可以在一定范圍內(nèi)自由布置，并且按照目前的趨勢(shì)，環(huán)境中的射頻信號(hào)只會(huì)越來(lái)越多。

3　能量收集系統(tǒng)

能量收集型傳感器節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是一種自含式系統(tǒng)，其包含的基本元素包括某種類型的換能器，以將環(huán)境微能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，環(huán)境微能源有可能是光能、溫差能、射頻亦或是人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微弱能量等，換能器后面通常跟隨的是整流器或DC-DC轉(zhuǎn)換器以及電源管理模塊，以產(chǎn)生合適的電壓和電流給下游電子組件供電。溫差能收集器和光伏電池產(chǎn)生不穩(wěn)定的直流輸出，射頻以及振動(dòng)等則相反的產(chǎn)生一個(gè)交流輸出。電源管理模塊對(duì)不同的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)整流或DC-DC轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓輸出等功能。由于能量收集采集到的經(jīng)常是微弱、不穩(wěn)定的可用功率量級(jí)，因而常采用能量收集系統(tǒng)與一個(gè)儲(chǔ)能裝置（一個(gè)電池或一個(gè)超級(jí)電容）相連的混合結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能裝置在傳感器節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)候供電，而在除此之外的其他情況下則持續(xù)從收集器接收電能。

DC-DC轉(zhuǎn)換器傳統(tǒng)上都選擇boost電路。大多數(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器都會(huì)使用外置的電感器以提高轉(zhuǎn)換效率，但由于大值的電感器不能被整體集成，所以帶集成電感的boost電路通常效率不高。電荷泵［4］利用內(nèi)部的FET開(kāi)關(guān)陣列以一定方式控制快速電容的充放電從而使得輸入電壓以一定因數(shù)倍增或降低，從而得到所需電壓，由于只需外接陶瓷電容，布板體積相對(duì)較小，并對(duì)微弱能量可以獲得一個(gè)足夠的轉(zhuǎn)換效率。

能量收集系統(tǒng)必須提供足以提供能量管理模塊所需的工作電流，然后多余的功率才可提供給負(fù)載應(yīng)用。由于環(huán)境中可采集的功率密度特定時(shí)間內(nèi)是一定的，因此收集的效率非常的重要。首先，是系統(tǒng)應(yīng)該具備一個(gè)合適的占空比［4］，即系統(tǒng)的工作時(shí)間和休眠時(shí)間之比。因?yàn)槎鄶?shù)場(chǎng)合下傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的物理量不會(huì)經(jīng)常變化，所以可以不用長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，也不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)是以非常低的占空比工作的。相應(yīng)地，平均功率需求也很小。如果一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)需要3.3V/3mA （10mW），但是每10s僅有10ms時(shí)間在工作，那么所需平均功率僅為0.01mW，假定在傳送突發(fā)的間隔期間不工作時(shí)，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù)μA；其次，由于獲取的電壓及電流的非線性，每一種能量收集系統(tǒng)都有其工作輸出的最大功率點(diǎn)，引入最大頻率點(diǎn)跟蹤的方法讓其工作在最大功率點(diǎn)附近就可以最大限度的采集環(huán)境中的微能源，以幫助用戶最優(yōu)化的從收集器中提取出可用能量［5］。

4　結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著超低功耗IC技術(shù)的進(jìn)步，微能源收集技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用在可行性上取得突破，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)開(kāi)始在能量收集芯片、系統(tǒng)和可充電電池上進(jìn)行投入，以便能夠在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中持續(xù)使用。本文介紹了可以用于WSNs的潛在的微能量來(lái)源，根據(jù)其特點(diǎn)及投入運(yùn)用的可能性討論了其研究現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)方法、技術(shù)限制等，展望了其在未來(lái)的應(yīng)用前景。作為一種清潔、靈活的供電方式，能量收集具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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［5］Nathan Bourgoine，從單片光伏電池收集能量［J］.今日電子，2011，6（44-46）.

作者簡(jiǎn)介：

梅燦華（1988— ），安徽合肥人，工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

ABSTRACT：Energy collection can extract environmental micro energy，and convert it to electrical energy for low power sensors consumption and other applications.This energy collected can help sensor nodes get rid of dependence on battery life. This paper introduces the potential micro energy sources which can be used for the power supply of sensor nodes，describes the development of micro energy collection technology，and the present research situation，technical limitation and application prospect of WSNs are analyzed.

Key Words：micro energy collection；WSNs；Ultra low power consumption