環境微能源收集技術及其在WSNs中的應用

中國電子科技集團公司第三十八研究所 梅燦華 牛 勤 蘇志杰

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環境微能源收集技術及其在WSNs中的應用

中國電子科技集團公司第三十八研究所 梅燦華 牛 勤 蘇志杰

【摘要】微能源收集技術從外界提取環境能量，并將它轉換為電能供低功耗傳感器等應用使用，運用收集到的能量可以幫助傳感器節點擺脫對于電池壽命的依賴。本文介紹了可以用于傳感器節點供電的潛在的微能量來源，闡述了微能源收集技術的發展狀況，分析了其在WSNs中應用的研究現狀、技術限制及應用前景。

【關鍵詞】微能源收集；WSNs；超低功耗

微能源收集技術能夠將許多日常微能源（如光、溫差、無線電波、振動等）巧妙地轉化為可用能量，延長能量受限網絡的使用壽命，進而得到廣泛關注。作為能量受限網絡之一，無線傳感器網絡（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，不能滿足傳感器節點長時間工作的需要，尤其是當替換或維護電池不方便或危險的時候。隨著近年來超低功耗芯片及相關元器件技術的進步，收集環境微能量為傳感器節點供電成為可能。將微能源收集技術應用到無線傳感器網絡的具體應用環境當中實現傳感器節點的自供能或半自供能工作已經是當今物聯網技術發展中的一個熱門方向和研究熱點。

1　引言

無線傳感器網絡從系統組成上看，單個傳感器節點主要由信息采集單元（傳感器）、數據處理單元（MCU）、無線收發單元（RF）以及小型電池構成，尺寸通常很小，具有成本低、超低功耗、多功能等特點；從功能上看，它借助于節點中的傳感器實時探測一定范圍內的溫度、濕度、磁場、壓力等環境參數，并通過無線網絡將獲取的有價值信息傳送到任務管理節點進行處理、分析和轉發。在交通運輸基礎設施、汽車和航空電子設備、遠程測量、工業過程控制、樓宇自動化等多種多樣的應用中，無線傳感器網絡正在使得多種終端、自主無線監測及監視的控制系統得以實現。一個典型的無線傳感器網絡節點布局如圖1所示：

圖1　無線傳感器網絡示意圖

為分布式布置的傳感器節點所所配置的電池容量通常是是十分有限的，為了擴大監測的范圍，一些傳感器會布置在人跡罕至或人很難到達的地方，例如飛機發動機上，高大鋼結構上等處，更換電池或者獲取常規能源基本不可能或成本極高，這些都是微能源收集技術極佳的應用場景。利用收集到的環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，設計自供電的無線傳感器節點，對于節點有效完成信息采集任務具有非常重要的意義。本文將介紹環境中常見的幾種可以用于給傳感器節點供電的微能量來源及其收集技術的進展，探討能量收集技術的應用前景。

2　常見環境微能源

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，并且該技術的發展最為成熟，在光線充足的地方比較適合用于給傳感器供電。

利用光伏效應能直接將光能轉化為電能，中午地表太陽直射下太陽能電池能夠獲得約幾百mW/cm2的功率密度［1］，室內光線條件下其功率密度遠低于室外，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，為提高實用性，需要提升其可用時的利用效率。

2.2溫差能

在有熱源的情況下，一個緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉換成電能。一個熱電器件的核心組件是熱電偶，利用Seeback效應將溫差轉化成電功率。采用熱電偶收集溫差能時，為了獲取更高的電動勢，常常串聯多個熱電偶形成熱電堆。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達到mW級的超低功耗MCU工作，并且在熱源穩定的情況下可以為傳感器節點持續供電。其應用場景如為飛機發動機上監視發動機狀態的傳感器節點收集利用溫差能，為一些可穿戴設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題。

2.3射頻

以手機信號為代表的無線通信飛速發展的今天，環境射頻能量無處不在，這些射頻能量來源包括廣播電視發射塔、無線電臺、雷達、Wifi、3G及GSM基站，雖然這些射頻信號的能量都很低，但在合適的距離經過一定的調制、整流也可以用來給超低功耗控制電路供電，甚至在某些應用場景中可以采用專用發射機來對信號強度進行控制。Intel labs的實驗人員據報道從電視信號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源的一個優勢就是不受時間限制，不需要暴露于高溫或有風的環境，可以在一定范圍內自由布置，并且按照目前的趨勢，環境中的射頻信號只會越來越多。

3　能量收集系統

能量收集型傳感器節點本質上是一種自含式系統，其包含的基本元素包括某種類型的換能器，以將環境微能源轉換成電信號，環境微能源有可能是光能、溫差能、射頻亦或是人體運動時產生的微弱能量等，換能器后面通常跟隨的是整流器或DC-DC轉換器以及電源管理模塊，以產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生不穩定的直流輸出，射頻以及振動等則相反的產生一個交流輸出。電源管理模塊對不同的電信號實現整流或DC-DC轉換，穩壓輸出等功能。由于能量收集采集到的經常是微弱、不穩定的可用功率量級，因而常采用能量收集系統與一個儲能裝置（一個電池或一個超級電容）相連的混合結構。儲能裝置在傳感器節點工作的時候供電，而在除此之外的其他情況下則持續從收集器接收電能。

DC-DC轉換器傳統上都選擇boost電路。大多數的DC-DC轉換器都會使用外置的電感器以提高轉換效率，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］利用內部的FET開關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，布板體積相對較小，并對微弱能量可以獲得一個足夠的轉換效率。

能量收集系統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載應用。由于環境中可采集的功率密度特定時間內是一定的，因此收集的效率非常的重要。首先，是系統應該具備一個合適的占空比［4］，即系統的工作時間和休眠時間之比。因為多數場合下傳感器節點監測的物理量不會經常變化，所以可以不用長時間連續測量，也不需要經常發送數據，因此傳感器節點是以非常低的占空比工作的。相應地，平均功率需求也很小。如果一個傳感器節點工作時需要3.3V/3mA （10mW），但是每10s僅有10ms時間在工作，那么所需平均功率僅為0.01mW，假定在傳送突發的間隔期間不工作時，傳感器系統電流降至數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都有其工作輸出的最大功率點，引入最大頻率點跟蹤的方法讓其工作在最大功率點附近就可以最大限度的采集環境中的微能源，以幫助用戶最優化的從收集器中提取出可用能量［5］。

4　結語

近年來，隨著超低功耗IC技術的進步，微能源收集技術的實際運用在可行性上取得突破，越來越多的機構開始在能量收集芯片、系統和可充電電池上進行投入，以便能夠在整個產品生命周期中持續使用。本文介紹了可以用于WSNs的潛在的微能量來源，根據其特點及投入運用的可能性討論了其研究現狀、實現方法、技術限制等，展望了其在未來的應用前景。作為一種清潔、靈活的供電方式，能量收集具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］R.J.M.Vullers.Micropower energy harvesting.Solid-State Electro nics.53（2009）684-693.

［2］GAO Yong-feng.A Miniature Composite Energy Harvesting System for Wireless Sensor Nodes.058（2012）327-331.

［3］Gaurav Singh.A tuned rectifier for RF energy harvesting from ambient radiations.Int.J.Electron.Commun.（AEü）67（2013）564-569.

［4］Weiyin Wang.A high-efficiency full-wave CMOS rectifying charge pump for RF energy harvesting applications.Microelectronics Journal 46（2015）1447-1452.

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

作者簡介：

梅燦華（1988— ），安徽合肥人，工程師，研究方向：物聯網技術與無線傳感器網絡。

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