無線傳感器網絡激光主動供能采集系統研究

熊淑平

(黃岡職業技術學院，湖北黃岡 438002)

電子信息技術

無線傳感器網絡激光主動供能采集系統研究

熊淑平

(黃岡職業技術學院，湖北黃岡 438002)

無線傳感器網絡通常采用電池供能，能量有限，影響了傳感器的適用時間和性能。文中根據無線傳感器節點對激光的反應，設計了激光自主能量采集功能系統，在確保傳感器運作的情況下收集了實驗環境的相關數據，解決了節點因環境能量不足而無法自供能的問題。

無線傳感器網絡；供能采集系統；激光

無線傳感器網絡,由無線通信以及負責檢測任務的傳感器節點組成,其作用主要是監控環境、偵查軍事情報以及安全檢測等。無線傳感器網絡的先進性比較高，其節點具有耗能低、成本低等特征，在數據處理、傳感方面發展前景良好。

1.無線傳感器網絡的主動功能方式分析

無線傳感器網絡應用廣，發展前景良好，然而卻因為能源問題而使其發展受限。通常，無線傳感器網絡的能源是一次性電池供給，因此無線傳感器網絡會出現因電池電量不足而無法工作的情況，若想讓其繼續工作,就要更換節點處的電池，然而無線傳感器節點數量多、區域分布廣、監測環境也比較復雜，顯然更換電池耗資大且不容易實現。能量供給有限，傳感器節點耗能限制了無線通信距離，保障通信距離要加大能量供給時間，進而無限傳感器網絡范圍受到了限制。使得無線節點的存儲器、處理器硬件資源有限。現階段，無線傳感器網絡主要面臨的問題是如何提高能源使用效率，讓網絡的通信能力、壽命以及硬件功能的價值發揮到最大。針對無線傳感器節點能源問題，設計了無線傳感器網絡激光主動功能技術，該技術能將能量以光能形式傳輸到節點分布范圍區，并轉換單點激光為光場，供能給傳感器節點，該技術具有無電磁輻射、方向性準確、抗干擾性強、能量密度高以及可靠性高等優點，且能夠應用于強電磁、強電壓等惡劣環境中。無線傳感器網絡激光主動功能技術不僅解決了極端環境下無線傳感器能源的問題,還延長了其使用時間，讓其滿足于更多的工作需求。

無線傳感器網絡激光主動供能研究基本分為幾點：一是激光波長的選擇，即分析大氣中激光傳輸的特性來選擇適合的波長；二是根據光場特性和光學原理將單點激光轉換為空間光場；三是基于太陽能電池的性能和激光的波長來確定太陽能電池的選擇；四是綜合上述研究后將這些利于無線傳感器網絡發展的策略融合在一起設計確保激光主動供能的能量采集系統。

2.激光供能網絡設計

激光的功能面積取決于激光的功率，即激光的功率提高其相對應的功能面積才能擴大，單個激光器的成本也會隨著激光功率的提高而增加，通常功率比較大的激光器成本都比較高，這樣一來系統成本也會隨之加大。激光主動功能網絡是由多個激光器組成的，這不僅能讓主動功能面積得到擴大,還能降低總系統成本。圖1是子網絡的結構圖，其功能光源為單獨的一個激光器，眾多子網絡組成的便是激光功能網絡，分束鏡會將從供能點發射到這里的激光分光，分光后一部分激光會進入另外一個區域繼續被分束器分光，另一部分則是通過光場轉換器進行轉換，為無線傳感器提供能量。由此可見，功能子系統不僅可以讓激光功能范圍加大，還能提高其利用率。多個供能子網絡組合成一個大的供能主網絡，其供能范圍和效率大大提高。

圖1 供能子網絡結構圖

3．激光主動供能的能量采集系統設計

MPPT電路、放電控制電路、DC/DC變換電路、無線節點、充放電保護電路及太陽能換能器是激光主動供能采集系統的相關組成部分。圖2顯示的是激光主動供能采集系統的整體結構。該系統的換能器為太陽能電池，且其儲能元件為單層存儲結構，空間光由單點激光轉換過來后，系統就可將其轉換成電能。換能器是用太陽能電池，系統中設計專門的MPPT電路，以追蹤太陽能電池的最大功率，使儲能元件充電時充電效率提高。在充放電時，儲能元件會有過度放電和充電的問題，因此應設計針對性保護電路。正常運作中，儲能元件會在放電控制電路的控制下放電，確保無限傳感節點工作時間的能量充足。無線節點可以通過DC/DC變換器獲取轉換之后的儲能元件的能量進行運轉。系統設計過程中，太陽能MPPT電路也需要基于太陽能電池的性能以及空間光的能量密度來設計，才能有效地提高太陽能電池的充電效率；無線傳感器網絡的使用時間在很大程度上會受到儲能元件的影響，對此可以選擇具有等效串聯電阻小、能量密度高、充放電次數無限以及漏電流小的超級電容，同時還能提高整體性能；DC/DC變換器的設計要基于無線傳感節點工作時長和能耗來設計；充放電保護電路和放電控制電路的設計也要以電容的性能為依據。

圖2 基于激光主動供能的能量采集系統

4.實驗驗證及分析

圖3 展示的是實驗情況下設計的激光主動供能系統。

如圖3所示，無線傳感器通過能量采集系統構成“格網通”，再以激光主動供能方式為基礎，共同組成自供能傳感器節點。實驗過程中會盡量排除干擾，防止其他光線干擾實驗數據，并且為了驗證無線傳感器節點在不同光場位置上是否都能獲取能量工作，調整自供能節點的位置多次測試。

圖4 激光主動供能系統實驗圖

圖4的數據是實驗情況下傳感器節點所傳輸給電腦的溫度、濕度數據。根據數據表明，約15分鐘自供能傳感器節點就可正常工作一次，將采集的數據發送到電腦，節點測得的一天的溫度和相對濕度如圖5。

圖5 節點測得溫度與相對濕度數據

曲線T代表溫度，曲線RH代表相對濕度。實驗環境下，15m是節點無線傳輸數據的最大距離。根據數據顯示，無線節點可以通過能量管理電路在激光主動供能的情況下獲取能量并且正常工作。

4.結束語

對自供能傳感器節點的各部分分析，設計出自供能傳感器節點結構。測試基于激光主動供能而轉換的空間光場來進行，實驗結果得到太陽能電池在不同光場情況下的輸出情況。綜上所述，無線傳感器節點激光主動功能系統實驗條件充足后進行的實驗以及獲得的相對濕度和溫度數據表明，無線傳感器節點激光主動功能方式是可行的。

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TP212.9

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1671-5136(2017)02-0136-02

2017-05-30

熊淑平（1971—），女，湖北黃岡人，黃岡職業技術學院講師。研究方向：計算機和電子設備硬件研究。