无线传感器网络电源方案的选择

无线传感器网络电源方案的选择摘要：为了实现无线传感器网络节点的能量自给，根据无线传感器网络节点运行环境，结合能量采集技术的特点，对各种能量采集方式进行分析比较，提出了能量采集和管理方案选择的具体原则，对无线传感器网络电源方案的确定，具有很强的指导意义。关键字：无线传感器网络；电源方案；能量采集Abstract：KeyWords：0引言无线传感器网络节点被密集部署在监测环境中，通常运行在无人值守或人无法接近的恶劣甚至危险环境中[1]，如何将周围环境中的有效能源转化为电能，为无线传感器网络提供能量，从而实现无线传感器网路的能量自给是无线传感器网络研究设计中的关键问题。能量采集技术为这些关键问题的解决提供了一种可行性方案。常见的能量采集技术有：振动能量采集、热能采集、太阳能采集、射频能采集等等。本文将从能量来源、适用范围、成本及优缺点等方面对各种能量采集技术进行分析比较，并提出系统使用成本低性价比高的能量采集方案的具体原则，达到了延长无线传感器网络的寿命周期，的目的。1能量的采集和使用选图1所示为无线传感器网络的能量采集与使用原理框图。无线传感器网络节点从其所处的环境中收集各种可利用的能源，将其转换为电能传输到能量存储与管理模块，当节点需要电能时，将能量从能量存储与管理模块中取出，经传输到达无线传感器网络节点上的各个元器件处，例如模数转换器、处理器、存储器、射频收发器等，供其工作所使用，保证了传感器网络对电源的需求，实现了无线传感器网络长期有效的供电。振动能采集太阳能（光）采集热能采集射频能采集其他能采集振动太阳光、灯光温度差电磁波、红外、微波其他能（风能、潮能等等）能量存储与管理传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器传感器模块处理器模块无线通信模块环境能源电源模块图1无线传感器网络节点的能量采集与使用由图1可知，传感器节点所处环境不同，环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术难以保证任何环境中的无线传感器网络均能可靠地获取所需能量。因此，需对多种能量采集技术进行性能分析比较，以便选出性价比最高的能量采集方案。2能量采集技术性能分析无线传感器网络周围环境中存在各种能源，不同的能源对应于不同的能量采集方法，如何根据无线传感器网络所处的环境选择出性价比最高的能量采集方案，是延长无线传感器网络生命周期和降低其系统成本的关键，下面将从不同方面对不同环境下能量采集技术的性能进行分析，以便为性价比高的能量采集方案的选择提供可靠依据。2.1振动能量采集振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中，而这些场合往往是无线传感器网络系统应用的重点领域，因此振动能具有广泛的来源。振动能量采集就是采集机械、车辆、楼宇以及如桥梁等其它建筑架构产生的一般机械振动能，并将其转换为电能，无需布线和电池，就可驱动传感器的一种能量采集技术。具有振动能量采集功能的小型传感器可安装到车门、电动马达基座等狭小空间中，还可安装到大型机械、建筑物或桥梁等场合中。传感器在这里无需电池、电源线路或通信布线即可进行工作，而且能够在不需要维护的情况下无限期工作。因此，该技术尤其适合需要长使用寿命、高温运行或者人员难以接近的应用中。振动能采集方式有压电式、电磁式和静电式，其中压电式发电机因具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，成为目前微型能量采集材料研究的热点之一[2]。影响振动能采集输出电压和能量的因素有：压电材料和振动频率。采用压电式振动能采集设备具有体积小、绿色无污染的优点，而且压电材料尺寸越小，压电效率越高，如当它们的厚度介于20纳米至23纳米之间时，其压电效率提高了100%，但是成本就会越高；电量输出和振动频率增加成线性关系，同振动力的增加成指数关系[3]，因此，当振动微弱或振动频率不稳定时就无法为传感器网络提供足够的电源。2.2太阳能采集太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”既节能又环保的新能源，有着及其广泛的来源；无地域的限制，无论是陆地、海洋、高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发利用，且无需开采和运输。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能，将转化后的电能供无线传感器网络工作使用的一种能量采集技术。此技术可以用于解决不可再生资源的枯竭，能源的紧缺，环境的污染等问题。针对工业、交通、农业以及商业等多领域应用推出了可将环境光转换为电源的太阳能采集开发套件，充分满足了无线传感器网络系统设计人员对可替代能源的需求。尤其在光照充足的偏远地区和危险环境区，开发人员可以构建基于太阳能的自供电无线传感器网络，从而无需定期花费时间与金钱进行系统维护和电池更换。通过将Cymbet的EnerChip技术与TI的MSP430微处理器和CC2500RF技术完美集成在一起，太阳能采集器无论在强光还是弱光环境中都能实现更高效的能量存储、能量处理及能量传输。EnOcean的太阳能采集模块采用了一种多晶硅太阳能电池。多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为11%～16%，无电力网地区的民用和工业用太阳能板系统是人们很熟悉的装置。另一种常见的太阳能电池是非晶硅电池，但它的效率只有多晶硅的一半（8%）。除了转换效率低的缺点以外，在阳光直射下非晶硅电池的转换效率每年还要衰减15%～35%。尽管有这些明显的缺点，但非晶硅的应用仍很普遍，因为它们的成本要比多晶硅低一个数量级，这对大批量消费、低功耗电子来说，是一个显著优势。例如，一块典型的55mm×11mm多晶硅电池价格为3美元，而同样一块非晶硅电池只有不到25美分[4]。无线传感器网络节点属于低功耗器件，非晶硅电池就可满足其供电需求，这样不但实现了无线传感器网络的能量自给而且降低了系统成本。还可将太阳能采集套件置于光照好的环境中，并增大光照面积，从而得到更多的电能。虽然太阳能来源广泛，但是太阳能具有分散性和不稳定性[5]。虽然到达地面的太阳能总量很大，但是能流密度很低，甚至有些地方光照时间很短，因此，太阳能采集器必须具有足够的存储能力、强光敏度和高效的转化率，以便在微光照条件下，为无线传感器网络提供充足的电能。然而存储能力、光敏度和转化率的提高却大大增加了系统成本，使用时要慎重考虑。2.3热能采集热能来源广泛，包括物体发出的热量、机械工作散发的热量、阳光、雨水和空气中热量。热能采集是将环境的温差转化为电势，从而将热源中的废热转化为电能，直接为无线传感器网络节点提供电能。热能采集可用于各种无人监视的低功耗的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器[3]。根据热源的稳定性情况，热能采集在作为电源的实际应用中，可以选择以下两种方式中的一种：若热源足够大且稳定，则直接使用；否则作为电池或其他能量存储器件充电的方式使用。如果热能要被视为一种稳定的电源，就必须考虑热源的稳定性。没有稳定的热能源就无法进行持续的热能采集，就无法为无线传感器网络节点提供充足的电能。影响热能采集的因素还有：电阻率、导热性和标准温标下的工作温度[7]。热能采集器用于能量的转换必然存在热流量，该热流量必须通过热能采集器流入与流出，所以热能采集器必须具备良好的导热性；又因为热能采集器具有较高的热阻，其器件外的热流量会影响附近区域系统的热力学特性，系统必须具备良好的散热性。2.4射频能量采集射频能在我们的生活空间是无处不在，电视信号、无线电广播网和手机天线塔等发出的高频电磁波都载有射频能量。射频能量采集是通过天线接收周围环境中的射频能，并将其转换为电信号，经调制变为直流电，供无线传感器网络节点工作使用的一种能量采集技术。射频能量采集器可被部署在Wi-Fi路由网络中或具有多发射机广域覆盖的移动基站中，可根据应用需求对无线传感器网络进行充电或为其提供持续的电能；还可以用于地级农业传感器，HVAC供电和能源管理，以及布置在进行健康监测，定位跟踪传感器设备中[8]。射频能与振动能、太阳能和热能不同，它不受振动强弱、光照和温度的影响。当建筑物内部经常只有低光照甚至无光照条件，不可使用太阳能采集时；当传感器被布置于墙壁内或天花板上时，当室内也不可能提供合适的温度梯度，甚至微弱的振动时，射频能采集却可将周围环境中的射频能转化为电能，为无线传感器网络供电。但由于射频能的空间密度非常低，随离能量源距离的增加射频能不断减少[7]，因此带有能量采集功能的无线传感器网络必须布置在靠近基站的位置，一般为3~100米。实现远距离射频能采集，势必要以系统的高额成本来换取高能量采集效率和转化率。3电源的选择方案在实际应用中，无线传感器网络布置被在不同环境中，我们可以根据目标环境来选择特殊的能源供给方式。由上述能量采集方案的性能分析，我们可得出能量采集方案的具体原则为：1)能量来源是否广泛。如处于在地质活动频繁或大型机械、桥梁等振动资源丰富的地方，采用振动采集；在沙漠这种光照比较充足，光能密度比较大的环境中时，采用太阳能采集；在环境中有稳定热源时，采用热能采集；在无线电信号密集区或离无线基站近的区域，可采用射频能量采集。2)是否容易实现。环境中存在那种能源，密度是否足够大，是否能在不增加硬件成本的前提下实现无线传感器网络的自供能。如存在高温机械车间中，由于车间空间封闭，热能采集器又有较高的热阻，会影响无线传感器节点的热力学特性，不能有效的将热量传入传出热能采集器，但是振动能采集却可以避免温度问题，车间中大型机械设备时刻都在振动，且振动频率稳定，要为传感器网络提供足够的电能，振动能量采集比较容易实现。3)成本是否是最低。当环境中存在多种能源时要考虑使用哪种能量采集可以保证持续为传感器网络供电，但是电能转换率最高，系统成本却最低。如传感器网络被布置在微光照条件下离基站比较近的地方时，光密度比较低，要采用太阳能采集得到足够的电能就要增加光照面积、提高电能转化率，但射频能密度比较大，采用射频能采集可为传感器网络提供足够的电能，而且电能转化效率比较高，成本比较低。4结语根据能量采集技术及其工作原理，结合无线传感器网络节应用环境，提出了无线传感器网络能量采集方案选择原则，从而为高性价比电源方案的选择提供了可靠依据，实现了用最低成本的、最高性能的能量采集方式为无线传感器网络提供持续的能量。参考文献：[1]孙利民、李建中、陈渝等.无线传感器网络[M].清华大学出版社.2005-05：17~30.[2]王强.基于压电材料的振动能量采集技术的研究[D].江苏：江苏大学硕士学位论文.2008-06：23~25[3]胡冠山,姚彦青.无线网络传感器能量收集管理技术[J].传感器世界.2006[4]MargeryConner，EDN技术编辑.从光照、振动中获取能量的采集器[N].电源技术.2006.[5]韩建军,刘明辉,赵修建.太阳能收集和传输的研究[J].动能材料.2007年增刊（38卷）[7]MotokiUjihara,GregoryP.Carman.EnergyHarvestingbyMeansofThermo-MechanicalDeviceUtilizedFerromagnets.RegentsoftheUniversityofCalifornia[8]KartikeyaMayaram.RFEnergyHarvestingCircuit.NewglobalRFIDinapparelreportForecasts2011-2021..