微型能源采集技术在无线传感器网络中的应用

关键词： 外部环境 环境监测 无线 传感器

无线传感器网络 (WSN) 是本世纪最重要的技术热点之一, 通过它可以使我们更深入地了解外部环境, 使我们的生活变得更加“智能”。目前, WSN的应用已经由军事、工业控制等扩展到环境监测、农业生产、智能楼宇、医疗电子等众多领域。但无论在哪个领域, WSN节点部署的环境一般是比较极端的, 如果采用电池为节点供电, 想要人为更换电池是非常困难的, 这导致了很多WSN系统在其中某些节点能量耗尽时就无法继续工作, 使得WSN的应用成本偏高, 给WSN的设计和应用带来了挑战。

随着微型能源采集技术的出现, 并逐步成熟和走向实用, 将其应用于WSN, 使其使用寿命无需再受到电源能量存储量限制, 这将会使WSN的使用成本大大降低, 也给WSN的设计和应用带来很大便利。

下面就对微型能源采集技术的概念及其在应用中的一些关键问题进行探讨。

1 微型能源采集技术的概念

从广义上讲, 现代的能源采集技术包括各种能量源源, 比如动能 (风、波、重力、振动等) 、电磁能 (光伏、电磁波等) 、热能 (太阳热能、地热、温度变化、燃烧等) 、原子能 (原子核能、放射性衰变等) 或生物能 (生物燃料、生物质能等) , 其主要目的是为了减少对煤、石油等资源的使用。大规模能源采集包括太阳能电厂和风力发电厂等。与大规模能源采集不同, 微型能源采集技术是从上述能量源中获取毫瓦级电能的微型采集技术, 主要目的侧重于使用电设备“永续”运行。目前, 人们对微型能源采集技术的应用环境一般倾向于该技术明确可替代电池的情况。要求远程节点自动运行数年的无线传感器网络成为首要的目标应用。根据其位置的不同, 这些传感器节点可从光、振动或其它来源采集能量。虽然能源采集技术短期内还不会完全替代所有应用领域的电池, 但其已显现出众多优势, 如传感器可无需更换电池或维护持续数年运行;低能耗、绿色环保, 并且能为最终用户带来长期的低成本效益。

2 微型能源采集技术在WSN中应用中的技术要点

2.1 能量的可获得性

研究的初始阶段, 必须估算能量的可获得性。表1中给出了四种环境微型收集来源可提供的每单元能量的大约数据, 进而评估可行系统所能收集的能量。例如采用大型太阳能电池板, 一般每100平方毫米光伏电池平均可产生大约1mW的电能。一般能源效率约为10%, 容量比 (平均所产生的电能对太阳持续照射时将产生电能的比率) 约为15%~20%。桥梁等建筑物以及众多工业与汽车结构可产生振动能。基本动能收集技术包括: (1) 一个弹簧上的物体; (2) 将线性运动转换为旋转运动的设备; (3) 压电电池。第 (1) 与第 (2) 项技术的优势是, 电压不取决于电源本身, 而取决于转换设计。静电转换可产生高达1, 000V或更高的电压。热电收集技术利用了赛贝克 (Seebeck) 效应, 即在两个金属或半导体之间存在温差的情况下而产生电压。热电发电机 (TEG) 由热并联与电串联的热电堆构成。最新型TEG在匹配负载下可产生0.7V输出电压, 工程师在设计超低功耗应用时通常采用该电压。所产生的电能取决于TEG的大小、环境温度以及 (当从人体收集热能时的) 新陈代谢活动水平。

上述几种主流微能量采集来源都有几个共同之处。他们都通常产生不稳定电压, 而并非目前电子电路仍广泛使用的3.3V稳定电压。此外, 这三种技术所提供的都是间断电源, 甚至有时根本就不能提供电源。因此, 设计工程师需要使用电源转换器与混合能源系统来解决这些问题。

2.2 电源管理

目前所讨论的大多数微型采集器能源技术所产生的输入电压均小于0.5V。这么小的输出电压很难启动电源转换器的电路。此外, 二次损耗会对转换效率产生影响。在大多数情况下 (但非所有情况下) , 不能采用我们熟悉的线性稳压器拓扑结构, 因为线性稳压器只能使电压降低, 因而更适合使用开关稳压器。通过切断输入信号, 开关稳压器可以控制其幅度和频率。同时, 开关拓扑结构也会消耗很少的电能。但从另一方面讲, 开关稳压器会使信号频谱发生改变, 并导致频率干扰。由于需要滤波对输出进行控制, 采用这种方案会导致成本的上升。对于工程设计人员来说, 能量采集技术实现的设计环境与以往有很大不同。在传统的电源管理应用中, 最节能的方法是采用高输入电压来启动, 以便在小电流和低电能消耗的条件下完成转换。然而, 能量采集应用中输入电压一般比较低, 因此设计工程师所面临的环境恰恰相反。在输入电压较低的情况下, 若目标输出电源能确定, 则要求电源管理电路在较大电流下运行。大电流导致电源转换器的尺寸增大, 从而更难提高系统效率。

3 结语

要将微型能源采集技术成功应用于WSN, 还需要在设计技术上进行深入研究, 但是鉴于这种应用的价值, 这种研究还是很有必要的。

摘要：由于部署要求的特殊性, 电池等传统的能源技术使无线传感器网络 (WSN) 的寿命受到极大限制。随着微型能源采集技术的逐渐成熟和实用, 将其应用于WSN将有非常重要的价值。本文简要介绍了微型能源采集技术的概念及其在WSN中的应用方法。

关键词：微型能源采集技术,无线传感器网络

参考文献

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