基于壓力能量采集的無源標簽節點設計

黎明曦， 孫玉繪， 朱 靜， 袁宏偉(1.傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 00050； .解放軍陸軍軍官學院 軍事測繪教研室，安徽 合肥 30031)

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·儀器設備研制與開發·

基于壓力能量采集的無源標簽節點設計

黎明曦1,2， 孫玉繪2， 朱 靜2， 袁宏偉2
(1.傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200050； 2.解放軍陸軍軍官學院 軍事測繪教研室，安徽 合肥 230031)

無線傳感器網絡(WSNs)是無線網絡的主要形式之一，廣泛用于環境數據的感知監測及相關應用。節點能耗控制一直是影響WSNs發展的關鍵因素，現有對于無源節點的研究多基于在現有節點上加裝能量采集模塊為其供電。由于沒有改變節點的運行機制，因此存在實現成本高、可靠性差等缺點。本文提出了一種無源標簽節點的設計方案，通過采用轉換外部壓力能供電，使其同時具備了傳感器節點的運算處理能力和RFID標簽的無源工作特性。實驗結果證明，設計的無源標簽節點可以將瞬時壓力轉化成電能并完成采樣、計算、存儲等工作。

無源標簽節點； 壓力薄膜； 能量采集

0 引 言

傳感器節點的能量供應是影響無線傳感器網絡(WSNs)應用和發展的重要因素之一。現有的傳感器節點多是采用攜帶電源的方式實現節點的能量供應。但是，由于節點體積和制造工藝的限制，現有的節點能源可維持的傳感器網絡生存期十分有限，而研究多著眼于對節點運行機制的優化設計，以達到在一定程度上節約能量消耗提高網絡運行生存期的目的。

隨著微電子技術、無線射頻技術和自然能采集技術的發展，從自然界獲得能量已經成為可能[1-2]。常見的可用自然能資源包括太陽能，無線能源，風能，地熱等[3]。對于傳感器節點來說，無線電能源和太陽能是現在研究比較成熟和應用較廣的兩種能量獲取手段[4-5]。自然能獲取技術使得傳感器節點的工作不再受到能量供應的限制，通過在傳感器節點上裝載適合應用環境自然能采集模塊可以保證節點工作所需的能量，使得無線傳感器網絡真正具備長時無人值守運行的能力。另一方面,用能源采集模塊替代傳統節點電源也使得節點的體積更小、重量更輕，且成本更低。通過結合傳感器節點和RFID標簽的特點構造具備計算和存儲功能的傳感器標簽節點，可以使得傳感器網絡的構造和通信更加靈活[6-8]。

1 相關工作

傳統的RFID射頻標簽只具備簡單的數據存儲能力，不具備計算能力和處理能力[9-10]。而其接收和存儲數據的能源主要依靠采集接收到的Reader發送的無線電信號能源。Davids等提出可以使用Reader無線通信信號中的射頻能量供應低能耗節點的短時間運行[11]，考慮到傳感器節點的工作符合短時間運行，長時間休眠的特點，這種能量獲取和供應模式完全可能運用在傳感器節點上。隨后，他們設計了一種可以使用無線射頻能量作為唯一能量來源的傳感器標簽節點：WISP，并在許多領域進行了廣泛的應用[12-15]。之所以把WISP稱為傳感器標簽節點是因為它具備一般傳感器節點的感知/處理和計算能力，但是卻采用RFID標簽的能量供應和通信模式。

WISP的研發提出了一種全新的傳感器節點設計方法和運行機制。但是Reader的通信距離和點對點星型網絡的特點制約了WISP節點的應用。Vincent Liu提出了一種可采集TV射頻信號和蜂窩式數字網絡信號能量的節點[16]，這種節點的結構和WISP類似，但是采用了更加精巧的天線和能量轉換模塊設計[17-20]。Vincent Liu對其性能進行了評估，實驗結果表明這種節點可以正常工作在各種TV射頻信號和蜂窩式數據網絡的環境中。

這兩種無源傳感器標簽節點的設計都將無線電信號作為主要的能源供應來源。但是這種能源供應機制仍然存在缺陷：首先WISP中使用的能源獲取機制決定了該節點的運行為被動開啟，即由使用者通過Reader照射以啟動節點任務，這樣的工作形式在許多無線傳感器網絡的無人值守區域監控應用中并不適用(這一類應用需要節點具備根據外界擾動自主激活運行的能力)；在AMB 節點的使用中，TV射頻信號和蜂窩式無線射頻信號是節點能量的來源,Vincent Liu也提到，節點在靠近發射基站時能正常工作，但是當節點遠離發射基站或者工作在無線射頻信號覆蓋不好的區域，則其可靠性就大打折扣。為了解決這個問題，我們打算引入其他的自然能獲取方式，以期獲得更好的效果。

壓力傳感器作為一種常見的傳感器設備，主要用于獲取由于外界影響所造成的局部壓力變化，被廣泛應用于各個領域[21-22]。國內外對于壓電傳感器及其應用研究較多，且已有成熟的應用產品，例如車輛超速測量、闖紅燈檢測等[23-25]。

2 基于壓力能量采集的無源標簽節點設計

2.1 需求分析

無源標簽節點設計的關鍵在于對能量采集模塊的設計。在常見的傳感器應用中往往是對于環境中特殊的沖擊型能量擾動進行探測，而這些擾動可以產生足夠的能量以完成低功耗微處理器的工作。現已應用的基于壓電薄膜的交通測速系統示意圖如圖1所示。

圖1 基于壓電薄膜的交通測速系統

6 其中壓電薄膜一般不產生數據，只是當有車輛通過時(碾壓時產生的沖擊能量信號)才進行信號采集并返回數據。圖2是對交通用壓電薄膜的沖擊實驗(腳踩)結果。

圖2 壓電薄膜沖擊實驗結果

根據初期的實驗可知,以壓電薄膜探測的外界壓力變化情況為例，傳感器在實際應用中可由外界能量擾動中獲取客觀的能量，結合WISP節點和AMB節點的能量獲取機制，可以將節點需要探測的外界擾動信號作為能量的來源，完全適用于基于事件驅動的無線傳感器網絡運行模式。由此可見，對于標簽節點的設計應解決：① 盡量降低工作能耗；② 采用合適的能量采集壓電傳感器；③ 可靠的蓄能穩壓模塊。

2.2 標簽節點設計

考慮到標簽節點的無源特性，其對能量消耗的要求較高。因此，設計時選用了具備超低工作功耗的MSP430芯片系列中的MSP430F2132，其工作電壓最低位1.8 V，休眠模式電流僅為0.1 μA，如圖3所示。

圖3 MSP430超低功耗微處理器

為了能提供給標簽節點足夠的能量，需要選用合適的壓電薄膜將外部壓力轉換成沖擊電信號，以提供給后續蓄能穩壓模塊足夠的能量。本文中為驗證標簽節點設計的通用性，采用了常見的MEAS壓電薄膜作為功能模塊，如圖4所示。由此可得壓電傳感標簽節點結構圖，如圖5所示。

圖4 實驗節點和MEAS壓電薄膜

圖5 壓電傳感標簽節點結構圖

其中射頻電路采用與WISP節點相同的UHF射頻通信模塊，用以實現與Reader的通信。壓電薄膜感應到外界有壓力變化時，將產生一個沖擊電信號，通過對該沖擊電信號進行處理可得出一個微小時段內的穩定電壓。在這個微小時段內，低功耗的MSP430處理器被激活，并完成若干次采樣工作，將采樣所得數據寫入存儲模塊，隨后能量耗盡，標簽節點進入休眠狀態(實際上是完全停止工作，等待下一次激活)。

3 實驗結果與分析

實驗設備是與解放軍理工大學合作研制的被動標簽節點數據采集實驗套件，如圖6所示。

圖6 被動標簽節點數據采集實驗平臺

從圖2的實驗結果可以看出，在擠壓MEAS壓電薄膜時，瞬時最高電壓可達20 V以上，持續時間一般在5 ms左右，可以支持超低功耗MSP430芯片完成若干個周期的計算，在該時間段內足以完成少量計算工作和數據讀寫操作。通過設計合適的壓電拾能器，即可實現對沖擊電信號的調整，文中壓電拾能器采用LINEAR公司的壓電能量采集芯片LTC3588-1，并搭建匹配外圍電路，如圖4所示。其結構如圖7所示。

在隨后的實驗中使用直流電源模擬壓電薄膜的輸出電壓，如圖8中通道1所示，該電壓信號經過拾能器處理后，得到通道2所示波形。通道2的電壓信號足夠驅動傳感器進行環境數據采集工作。

圖8 壓電拾能器能量采集結果

4 結 語

本文將壓力能量作為節點工作的功能方式，解決了傳感器網絡節點的能量供應瓶頸，使得傳感器節點具備RFID標簽的被動通信特點，從而使得其真正具備長時間值守的能力。同時，克服RFID標簽無法進行持續時間段數據采集的弱點，使得標簽節點具備中長距通信能力，數據持續采集存儲能力和一定的計算處理能力。實驗結果表明，文中設計的標簽節點可以正常工作，其供能機制可廣泛應用于現有的無線傳感器網絡系統中，使其具備真正的無人干預,長期值守的能力。

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Full Passive Tag Node Based on the Energy Collection Mechanism of the Pressure

LIMing-xi1, 2,SUNYu-hui2,ZHUJing2,YUANHong-wei2
(1. State Key Laboratory of Transducer Technology，Shanghai 200050, China; 2. The Department of Military Surveying and Mapping Engineering, Army Officer Academy of P.L.A, Hefei 230031, China)

The wireless sensor network (WSN), as a major form of wireless networks, is widely used in many applications such as the monitoring of environmental data. In order that the energy control mechanism is a main factor in the development of WSNs, the research in full passive sensor nodes is becoming a hot issue. Most existing researches on the full passive nodes are based on fixing an energy acquisition module on nodes for the power supply. These solutions which have no redesign node have such disadvantages as the high consumption, the low reliability in real applications. In this paper, we proposed a full passive tag node design based on the collection mechanism of the pressure. The full passive tag node can work without individual energy modular as an RFID tag, while it manages the information as a sensor node. The experiment proved that the full passive node we designed in this paper can accomplish the information sampling, computing and storing by the energy of the pressure in an instance.

full passive tag nodes； piezoelectric film； energy collection

2014-04-17

國家自然科學基金(61170233, 61232018)；傳感技術聯合國家重點實驗室基金(skt1206)；安徽省自然科學基金青年項目(1408085QF124, 1408085QF129)；安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(KJ2013A255)和六安市定向委托皖西學院產學研合作項目(2012LWA015)資助

黎明曦(1983-)，男，江西南昌人，講師，主要研究方向：傳感器網絡技術，物聯網，網絡工程技術，分布式安全。

Tel.：15055178350；E-mail：keeperlmx@gmail.com

TN 98

A

1006-7167(2015)02-0050-04