無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量收集策略的研究

張海

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對于能量的需求越來越高，而對于能量的收集與利用是未來發(fā)展的趨勢，因此對無線系統(tǒng)中的能量收集技術(shù)進行研究十分必要。從能量收集的背景以及國內(nèi)外研究狀況進行概要分析，其能量收集主要體現(xiàn)在對射頻能量收集、太陽能能量收集、振動能量收集、熱電能能量收集、風能能量收集、聲能能量收集等方面，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量收集有著重要作用，在能量管理以及能量利用方面都有著較好的利用價值。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò);能量收集;技術(shù)分析;射頻;能量供給;供電

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為未來改變?nèi)藗兩钜约碍h(huán)境的重要技術(shù)，正受到越來越多科學研究者的關(guān)注。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、易傳輸?shù)忍攸c，通過自組織方式構(gòu)成Ad hoc微型傳感網(wǎng)絡(luò)。微型傳感網(wǎng)絡(luò)通常是微型嵌入式系統(tǒng)，其處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電[1]。傳感網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器、通信電路、嵌入式計算機技術(shù)、電源技術(shù)和數(shù)據(jù)處理電路等組成[2]，可以在任何時候、任何地點進行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，是較為便捷的獲取信息的途徑。對于處于信息時代的我們，它可以為我們提供便捷、實時的信息，也可以應(yīng)用在荒漠、高樓以及危險的戰(zhàn)場和人們不太容易接觸的地方，完成定位、測量和處理控制等任務(wù)，同時它也在工業(yè)、電子消費、國防安全、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、航空探索等領(lǐng)域有著舉足輕重的作用和廣泛的市場需求，為我們的生活帶來翻天覆地的變化。

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)均為大規(guī)模靜態(tài)布置，且處于環(huán)境惡劣、危險的場景中，這種場景下難以對節(jié)點進行充電或者更換，而能量又是制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能的重要約束，如果能對傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點周圍的能量進行捕捉利用，例如收集周圍能量為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點補充能量，則可以延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。通過研究通信協(xié)議、能量收集技術(shù)為傳感器節(jié)點供能，大幅提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。

本文主要從幾個方面論述能量收集的關(guān)鍵技術(shù)，并詳細論述能量收集對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作的重要性。能量收集（Energy Harvesting）主要利用外部能源進行能量供給，可以直接作為傳感器節(jié)點電源，也可作為輔助電源為電池供電。

1 系統(tǒng)模型及技術(shù)分析

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由成千上萬個傳感器節(jié)點構(gòu)成，廣泛分布于不同區(qū)域，如荒無人煙的沙漠、危險的戰(zhàn)場、大規(guī)模高低不同的建筑物等，通常由能量有限的電池供電。受傳感器節(jié)點自身體積限制，當能量消耗殆盡時，更換電池的工作較為繁瑣，而傳感器節(jié)點數(shù)量繁多，無法及時為每一個節(jié)點進行能量補充。因此，設(shè)計長久的可持續(xù)利用的傳感器節(jié)點就成為當下需要解決的重要問題，用有效的能量回收機制為傳感器節(jié)點長久工作奠定堅實基礎(chǔ)。

當前較大規(guī)模應(yīng)用的能量收集（Energy Harvesting）技術(shù)包括射頻能量收集（RF Energy Harvesting）、太陽能能量收集（Solar Energy Harvesting）、振動能量收集（Vibration Energy Harvesting）、熱電能能量收集（Hot Energy Harvesting）、聲能能量收集（Acoustic Energy Harvesting）、風能能量收集（Wind Energy Harvesting），他們的特點是將外部能量轉(zhuǎn)化為電能為自身供電。能量收集的等效模型如圖1所示。

2 能量收集技術(shù)

2.1 射頻能量收集

射頻能量收集（RF Energy Harvesting）主要包括整流天線、能量管理模塊、負載和超級電容存儲等，其電路模型如圖2所示。

在當今無線設(shè)備普及的社會中，射頻電磁波普遍存在于周圍環(huán)境中，圖3所示為環(huán)境中平均射頻能量的密度分布。從圖中可以看出射頻能量主要分布在900 MHz，1.9 MHz，2.1 MHz，2.45 MHz和2.6 MHz[3]。

在文獻[4]的電路改進中，最終輸入信號的最小幅值為300 mV，最大轉(zhuǎn)換效率為37%，DC輸出電壓超1 V。實驗研究表明，天線是制約能量收集的主要因素。天線是用來接收或者發(fā)射電磁波的器件，連通自由空間和導(dǎo)波物質(zhì)，主要分為孔徑型天線、天線陣列、棱鏡型天線、線型天線、 微帶天線、 反射型天線[5]。其中微帶天線具有體積小、成本低、容易集成、易實現(xiàn)雙極化以及雙頻段等優(yōu)點，備受科研工作者的青睞，在民用和軍事方面都有著廣泛的使用。

2.2 太陽能能量收集

太陽能能量收集主要包括兩個方面。一種主要通過光熱收集，通過太陽光照射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱能，其典型應(yīng)用為太陽能熱水器，使用廣泛;另一種通過光電轉(zhuǎn)化技術(shù)進行能量收集，因其無污染等特點被廣泛應(yīng)用。

通常用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。光伏材料主要分為兩類，分別為硅晶太陽能電池和非硅晶太陽能電池。當太陽照射到光伏電池表面時，大部分光線在內(nèi)部聚集，太陽輻射激發(fā)半導(dǎo)體中的載流子漂移，不同元素的硅元素在此作用下形成帶電動勢的空穴[6]，在電場作用下，負電荷被吸引到N區(qū)，正電荷被吸引到P區(qū)，由此產(chǎn)生了電勢差，形成電壓源。

把太陽能板看成電壓源，文獻[7]中給出了太陽能能量收集的等效模型，如圖4所示。文獻[8]的研究表明，在每天3～4 h的陽光照射下，可保證節(jié)點以10%的工作占空比持續(xù)工作約4～5年（電池一般壽命為4～5年，如果充電電池仍可使用，則工作時間更長），極大地延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的使用壽命。

2.3 振動能量收集

振動能量收集主要將物體振動所產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，主要分為磁式振動能量收集、壓電式振動能量收集、靜電式振動能量收集、磁致伸縮式振動能量收集和復(fù)合式振動能量收集[9]。根據(jù)文獻[10]的壓電振動研究可知，在外激勵頻率與壓電懸梁臂頻率接近時，能量收集裝置的電壓峰值達到73 V/N。在外接電阻達到1 MΩ時，能量收集裝置達到峰值，不再變化。

壓電能量收集裝置通過懸梁臂放置壓電材料，基座裝置固定，在懸梁臂另一端放置有質(zhì)量的塊裝置或者能產(chǎn)生振動的裝置，通過振動使壓電材料產(chǎn)生形變，再經(jīng)形變將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

電磁式能量收集技術(shù)主要分為兩類，即直線共振型與非平衡轉(zhuǎn)動型[11]。其中直線共振能量收集利用振動使線圈與磁體產(chǎn)生相對位移從而產(chǎn)生電能，其裝置相對較為簡單。非平衡轉(zhuǎn)動型能量收集裝置利用永磁鐵或線圈擺位移產(chǎn)生電能，其裝置相對復(fù)雜。

靜電式能量收集技術(shù)主要通過靜電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當靜電收集裝置工作時，需要可變電容來存儲電能，再通過施加外部電源激勵使可變電容產(chǎn)生壓差，當機械振動產(chǎn)生時，可變電容點位將發(fā)生變化，進而使機械能轉(zhuǎn)化為電能。

2.4 熱電能能量收集

熱電能能量收集主要基于貝塞克效應(yīng)[12]。貝塞克效應(yīng)圖如圖5所示，在兩個不同的導(dǎo)體或者導(dǎo)電率不同的半導(dǎo)體a，b構(gòu)成的回路中，兩個連接點（節(jié)點1、節(jié)點2）若存在溫差ΔT=T1-T2，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這時回路中有電流流過[12]。利用溫差發(fā)電器（Thermal Electric Generator，TEG）將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

在文獻[13]的研究中，利用以LTC3109為核心構(gòu)成電源管理模塊而設(shè)計的熱電能量收集電路通過熱電片收集環(huán)境余熱，其輸出電壓為3.3 V。

2.5 風能能量收集

環(huán)境中的風能無處不在。通常對于收集裝置的研究是科研人員較為關(guān)心的話題，因此研究和制作裝置成為科研人員急需解決的問題。微型化風能收集裝置并不常見，對于微型化的收集裝置有便攜帶、體積小、易于集成等要求[14]。2009年，西安機電研究所在諧振腔結(jié)構(gòu)收集風能的改進研究過程中證明在300 m/s的高風速作用下輸出電壓可達39.5 V，其輸出功率為1.4 W，能滿足引信用電需求[15]。

2.6 聲能能量收集

聲波作為生活中常見的能量形式，無處不在。根據(jù)能量收集原理的不同，聲能收集可分為壓電式、靜電式、電磁式。文獻[16]中設(shè)計的用于收集聲波能量的摩擦納米發(fā)動機的原理便是利用聲音產(chǎn)生振動，從而實現(xiàn)聲波能量的收集。該收集裝置在聲波作用下的最大電壓和電流分別為232 V和2.1 mA。

國內(nèi)的研究大多基于壓電材料進行聲能收集，其原理如圖6所示。在正弦波聲場中，當聲波頻率達到907 Hz的諧振頻率時，壓電陶瓷的開路輸出電壓可達4.6 V，在110 dB聲場中，負載達到11.2 kΩ時，輸出功率可達60.4 μW[17]。

3 結(jié) 語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量解決策略一直為眾多科研者所關(guān)注，通過有效的能量管理策略以及合理的能量收集可大大提升傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。本文首先對無線傳感網(wǎng)絡(luò)在能量損耗方面以及更換電源所面臨的問題進行了全面分析，對當前無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量收集方面的不足和對于能量損耗所帶來的問題進行了闡述，并從各方面敘述了能量收集技術(shù)，分析了我們當前環(huán)境中可以獲取的能量并對一些特定方法進行了概括。當前能量收集方式還存在很多不足，仍需要廣大科研者的不懈努力。希望在對能量收集及有效利用有一個清晰認識的基礎(chǔ)上，能夠?qū)δ芰肯膯栴}有更清晰的了解，從而解決能量損耗問題。

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