基于振動能量俘獲的無線傳感器自供能技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：傳感器作為獲取監(jiān)測信息最基本、最重要的單元，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各專業(yè)領(lǐng)域，成為各個領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)支撐。而傳統(tǒng)的鋰電池由于其自身的缺陷，已無法滿足傳感器的要求，本文介紹了通過自供能技術(shù)，來滿足傳感器能量需求問題的研究現(xiàn)狀，以及未來發(fā)展方向

關(guān)鍵詞：無限傳感器；自供能技術(shù)，壓電俘能器

1.無限傳感器應(yīng)用場合與供能方式

近年來興起的由大量分布式無線傳感器節(jié)點的面向目標(biāo)的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）[1-3]，因傳感器占用空間小和無線數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)點突出，對應(yīng)用環(huán)境的要求比較低，特別適合應(yīng)用于工作環(huán)境比較惡劣的場合，被認(rèn)為是未來傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。但是無線傳感器技術(shù)并沒有像我們想象的那樣迅速市場化，其中最主要的問題是傳感器的能量供應(yīng)問題[4-6]。按供能方式可以將傳感器分為兩種：有源和無源傳感器。有源傳感器采用電池供電，傳感距離非常遠(yuǎn)，可采用各種電路，控制處理方便靈活，目前已被廣泛應(yīng)用。但是，電池供電的缺點如下：電池的壽命有限，需要定期更換，電池最大的能量密度為3.78KJ/cm3，這就是說，如果一個微功率電子器件的功率是1mW，它工作10年就需要100cm3電池供電，這就使器件的體積大幅度增加，電池的輸出功率也不穩(wěn)定，它會隨著時間的推移，輸出功率和電壓慢慢降低，這對一些特殊用途的器件將是致命的打擊[7]。

目前有很多電子器件應(yīng)用到很難或者根本就不可能更換電池的地方，例如野生動物身上的跟蹤器、野外的無線傳感器等等，這些系統(tǒng)如果想要正常長期的工作需要能量自給。

因此，供能問題已成為無線傳感器發(fā)展的瓶頸，能源技術(shù)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心課題之一。

為了實現(xiàn)對無線傳感器的供能，人們提出了自供能技術(shù)。它是一種通過收集周圍環(huán)境中其他形式的能量如振動能、風(fēng)能、聲能、熱能、電磁能等，并將其轉(zhuǎn)化為電能[8-10]，為傳感器或其他電子設(shè)備提供安全、穩(wěn)定、高效、理論上無壽命限制的電能供應(yīng)技術(shù)。與機(jī)械振動能相比太陽能、風(fēng)能等都受外界天氣的影響比較大，在晴天的情況下太陽能的功率密度可以達(dá)到15000，在陰雨天氣太陽能的功率密度只有150。太陽能的功率密度在晴天和陰天的時候相差100倍之多[11]。風(fēng)能區(qū)域性的特點又比較明顯，在微電子器件的能量自給上，機(jī)械振動能的回收再利用成為了焦點。

振動是自然界中最常見的一種現(xiàn)象，存在于工業(yè)經(jīng)濟(jì)的各個部門，例如機(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)化工工業(yè)、航空航天工業(yè)等，而振動中所包含的能量也成為關(guān)注的焦點，有時候這些能量是有害的，例如管道的振動會降低管道的實用壽命、飛機(jī)機(jī)翼的振動會增加空難的幾率等。如何合理的利用這些能量將是科學(xué)家研究的焦點。

綜上所述，通過收集振動能量，將振動能轉(zhuǎn)化為電能，為無線傳感器供電能很好的解決無線傳感器供能困難問題。大大的拓寬無線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的能量來源主要采用是電池，很難獲得長久的電池使用壽命。采用電池供電，為了延長節(jié)點的使用壽命，只能減小系統(tǒng)功率，或者增加休眠時間，這兩種方法都有很大的局限性，無法從根本上解決節(jié)點能量供給問題。

然而如果利用能量采集或能量挖掘技術(shù)使無線傳感節(jié)點從環(huán)境中挖掘能量，具有能量補(bǔ)充的能力，從而使無線傳感節(jié)點避免能量單向遞減過程，并進(jìn)一步利用能量管理與能量轉(zhuǎn)移技術(shù)達(dá)到無線節(jié)點的永久壽命與無線傳感網(wǎng)絡(luò)無限使用的目的，將從根本上解決節(jié)點的能量供給問題。

目前，有些研究工作提出了一些用環(huán)境能量給無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點能量供給的原型。UCLA的設(shè)計就描述了一種能量供給系統(tǒng)，它給早期的MlCA微塵供電[12]，該節(jié)點有比較大的能量需求。UCLA的設(shè)計有一個次級能量存儲器，該存儲器由一個NiMH可充電電池和一個控制能量轉(zhuǎn)移的簡單硬件部件組成由于太陽能直接進(jìn)入電池，因此過多地消耗了電池的充放電周期。這就限制了系統(tǒng)的壽命，系統(tǒng)壽命最多兩年。這樣的壽命并不比單靠電池獲取能量的系統(tǒng)長多少，更不用說永久供電了。PicoRadio考慮了可充電電池，但是由于可充電電池有限的充放電周期，系統(tǒng)只使用了電容而沒有使用可充電電池。當(dāng)能量源消失的時候，系統(tǒng)只能在幾個小時內(nèi)使用存儲的能量。MIT的Cricket包含一個電容以緩沖電流沖擊，但是如果沒有恒定的太陽能輸入則不能工作。TelosMote系統(tǒng)通過選擇容量最優(yōu)的超級電容，減少使用次級的鏗電池，解決了充電周期的問題，延長了系統(tǒng)的壽命[13]，但是由于沒有最優(yōu)地使用能量存儲模塊，限制了系統(tǒng)更多地利用環(huán)境能量，從而且限制了無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

MIT媒體實驗室一項早期研究考察了從各種人體運(yùn)動中收集能量的可能性[14]。Shenck&Paradiso在2001年證實行走產(chǎn)生的能量可以利用壓電陶瓷片收集[15]。自此，不同結(jié)構(gòu)的壓電元件被用于各種要求的能量收集。隨后，Rome and Kuo在2005年對負(fù)重行走中的能量進(jìn)行了研究[16]。Granstrom在2007年研究了利用背包肩帶進(jìn)行能量收集[17]。Elvin在2001年和2003年將壓電元件同時做發(fā)電機(jī)和傳感器，計算了壓電傳感器為無線通信系統(tǒng)供電的性能指標(biāo)，評價了自供電傳感器系統(tǒng)的可能性[18]。Elvin在2006進(jìn)一步指出從各種公共設(shè)施，如橋梁、大樓的振動中收集能量的可行性[19]。Roundy&Wright在2004年分析并開發(fā)了基于雙層彎曲結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電器，并將其作為發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)[20]。Renaud在2007年研究壓電彎曲結(jié)構(gòu)在沖擊和振動能量收集方面的特征[21]。Kim and Ericka在2005年模擬并設(shè)計了一種壓電板，用于從脈沖壓力源中收集能量。Yang在2007年分析了矩陣板壓力發(fā)電器[22]。Guigon在2008年研究了利用壓電板從水滴沖擊中收集能量的可能性，其能量收集的方式是利用條狀的壓電聚合物從海水和河水的水流中收集能量，將離子聚合物金屬復(fù)合材料作為換能材料進(jìn)行能量收集[23]。

綜上所述，反映了現(xiàn)今大多數(shù)環(huán)境功率系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它們主要由三個部件組成：能量源，能量俘獲存儲器和耗能部件。能量源在特定環(huán)境條件下利用環(huán)境能源，提供一定的電流。耗能部件，譬如無線傳感器節(jié)點，有各種運(yùn)行模式，不同運(yùn)行模式下都有一定量級的電流消耗。能量存儲器積累能量，為耗能部件供應(yīng)能量。這些系統(tǒng)都又各自的特點，在一定的程度上解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量供應(yīng)問題，但是，正如上所述，它們都各自又自己的局限性，沒有能從根本上解決傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃金鑫。基于空間電磁能的無線傳感器自供能技術(shù)研究，2012，山東大學(xué)。

[2]余勇，呂偉剛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25（6）：1616-1621

[4]胡冠山，姚彥青。無線傳感器能量收集管理技術(shù)[J].傳感器世界，2006，（3）：33-36

[5]卞雷祥，文玉梅，李平.微型傳感器自供能技術(shù)[C].中儀器儀表學(xué)會第八屆青年學(xué)術(shù)會議，2006年7月28日，大連，：297-298

項目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃項目（2016R471008）

作者簡介：胡志通（1995-），男，在讀大學(xué)生.