基于多能量收集器的微能源在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

馮賀平

摘要：傳統(tǒng)運(yùn)用市電和電池供電的方式已經(jīng)不能和微型低功耗的電子設(shè)備的需求相符合，因此，非常有必要加強(qiáng)研究，本文將對(duì)基于多能量收集器的微能源在無線傳感器網(wǎng)路中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：多能量收集器；微能源；無線傳感器網(wǎng)略

就傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其在節(jié)點(diǎn)體積上非常小，具體而言，主要從有限能量的電池當(dāng)中進(jìn)行供電，其使用壽命對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)使用的壽命造成嚴(yán)重影響，并對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用周期造成影響。因?yàn)閭鞲衅鞯墓?jié)點(diǎn)數(shù)量非常多，在成本上也比較低廉，并且被很廣泛地分布，一般情況下在比較復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)用，部分區(qū)域是人們不能到達(dá)的地方，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)電池進(jìn)行更換并不現(xiàn)實(shí)，所以，將基于多能量收集器的微能源在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究勢(shì)在必行。

一、基于多能量收集器的微能源發(fā)展

（一）太陽(yáng)能電池微能源的發(fā)展

自然界當(dāng)中，太陽(yáng)能是非常豐富的一種環(huán)境能源，可以說，光輻射能是是取之不盡的一種能源。現(xiàn)階段太陽(yáng)能利用表現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，通過光熱效應(yīng)的應(yīng)用，將太陽(yáng)光輻射能向熱能所轉(zhuǎn)換；第二，通過光生伏特的效應(yīng)應(yīng)用，把太陽(yáng)光輻射能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)變，太陽(yáng)能電池是具備該性能的一種半導(dǎo)體器件。因?yàn)樘?yáng)能電池運(yùn)用的主要是光生伏特的效應(yīng)進(jìn)行工作的，因此，還可以將太陽(yáng)能電池稱為是光伏器件。和以往的化學(xué)電池進(jìn)行比較，太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)非常明顯。太陽(yáng)能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，是沒有噪聲的，也沒有化學(xué)污染的，給予人類的是綠色能源，有助于環(huán)境保護(hù)以及人類健康。對(duì)于太陽(yáng)能電池來說，并不需要機(jī)械性的傳動(dòng)裝置和無需燃料等，型號(hào)是可大可小的，具有很長(zhǎng)的壽命，只要具有日照，就能夠按照需要對(duì)裝置進(jìn)行安設(shè)，有助于全自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的。正是因?yàn)樘?yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)，可以將太陽(yáng)能電池在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，有效地處理節(jié)點(diǎn)能量的供應(yīng)問題。

（二）微能源技術(shù)的發(fā)展

對(duì)于微能源技術(shù)來說，主要是指實(shí)時(shí)地把環(huán)境當(dāng)中的其他形式能量向電能進(jìn)行的技術(shù)。生活物質(zhì)空間中，有很多潛在的能源，比如，太陽(yáng)能和風(fēng)能與熱能以及機(jī)械振動(dòng)能，還有聲能和電磁能等。當(dāng)可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中收集儲(chǔ)存能源時(shí)，就能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成電能，并且將能源供應(yīng)給為無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)階段，關(guān)于這方面的研究非常多，而且獲得了一定的進(jìn)展。通過微能源技術(shù)的利用，可以促進(jìn)傳感器節(jié)點(diǎn)使用壽命的提升，還技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率做了基礎(chǔ)保障，同時(shí)，還可以在一定程度上降低運(yùn)行過程中的成本。

二、基于多能量收集器的微能源在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的研究

（一）選擇太陽(yáng)能電池

因?yàn)閱尉Ч璧奶?yáng)能電池具有很高的價(jià)格，化合物的半導(dǎo)體太陽(yáng)能的電池會(huì)有環(huán)境污染，同時(shí)材料非常稀有，加之，納米晶化學(xué)的太陽(yáng)能電池在開發(fā)是剛起步的，因此，在方案的設(shè)計(jì)過程中，可以運(yùn)用多晶硅的太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能的電池單片是PN結(jié)。單片電池開路的電壓主要在0.45V～0.6V范圍內(nèi)，總的來說，電壓是0.5V，隨著電池串聯(lián)片數(shù)的增多逐漸提高電壓。單片電池電流受到單個(gè)PN受光面積的影響，短路電流主要是15～30m A/cm2，隨著面積的增大片數(shù)逐漸增多，電流越來越多。

（二）太陽(yáng)能電池材料

太陽(yáng)能電池的制作主要基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料，工作原理是指通過光電材料的吸收光能后出現(xiàn)的光電子轉(zhuǎn)移所出現(xiàn)的電能。根據(jù)不同的材料，可以將太陽(yáng)能的電池劃分成以下幾種：硅太陽(yáng)能的電池，無機(jī)鹽的多元化合物的電池，納米晶的太陽(yáng)能電池。一是，單晶硅的太陽(yáng)能電池。單晶硅的太陽(yáng)能電池制備是在電弧爐當(dāng)中用碳進(jìn)行還原的。生產(chǎn)過程中所需高純硅材料是非常高的，同時(shí)，制造的工藝也非常復(fù)雜，需要耗費(fèi)很高的電量，太陽(yáng)能的組件平面在利用率上非常低；二是，多晶硅的太陽(yáng)能電池。其中所運(yùn)用的硅量比單晶硅低，沒有出現(xiàn)衰減問題，能夠在廉價(jià)底材當(dāng)中進(jìn)行制備，預(yù)期成本必須必單晶硅電池低；三是，化合物的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。研究和應(yīng)用更多的有砷化稼III-V族化合物和硫化鍋與蹄化隔以及銅錮薄膜的電池等，硫化鍋和蹄化隔多晶薄膜的電池使用率比較高，所需要的成本比單晶硅電池低，因?yàn)殄佊袆《荆苋菀装l(fā)生環(huán)境污染的問題。

（三）使用蓄電池

因?yàn)樘?yáng)能電池的電力非常有限，同時(shí)，只能在白天發(fā)電，因此，需要財(cái)務(wù)針對(duì)性的措施對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存，達(dá)到保證節(jié)點(diǎn)能量的需求。就蓄電而言，這是一種對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存的容器，經(jīng)常被看做是電路“能源基地”。使用蓄電池充電的效率受到充電方式的影響，也就是充電速率與電池中活性物質(zhì)利用率等條件。如果充電的時(shí)間比較長(zhǎng)，電流就會(huì)比較小，轉(zhuǎn)化電能安全的效率就會(huì)非常高，補(bǔ)償值也就會(huì)比較高；如果充電時(shí)間比較短，電流越大的安全電能就會(huì)更加地低。太陽(yáng)能電池和蓄電池進(jìn)行并聯(lián)充電的過程中，必須防止樹木與建筑物等對(duì)光線造成遮擋，繼而確保太陽(yáng)能電池的正常工作。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在本文中，主要對(duì)基于多能量收集器的微能源在無線傳感器網(wǎng)路中的應(yīng)用方案進(jìn)行了研究，把太陽(yáng)能電池與充電蓄電池看做是傳感器當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)電源，給予傳感器節(jié)點(diǎn)所有環(huán)節(jié)的供電。同時(shí)，還要在傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中配備與之相符的太陽(yáng)能電池，有助于傳感器節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的延長(zhǎng)。選擇微能源對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電后，能夠讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高運(yùn)行效率，并且將成本有效降低，推動(dòng)了這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

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