無線傳感網絡能量收集策略的研究

張海

摘 要：隨著科學技術的發展，人們對于能量的需求越來越高，而對于能量的收集與利用是未來發展的趨勢，因此對無線系統中的能量收集技術進行研究十分必要。從能量收集的背景以及國內外研究狀況進行概要分析，其能量收集主要體現在對射頻能量收集、太陽能能量收集、振動能量收集、熱電能能量收集、風能能量收集、聲能能量收集等方面，對無線傳感網絡的能量收集有著重要作用，在能量管理以及能量利用方面都有著較好的利用價值。

關鍵詞：無線傳感網絡;能量收集;技術分析;射頻;能量供給;供電

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，無線傳感網絡作為未來改變人們生活以及環境的重要技術，正受到越來越多科學研究者的關注。無線傳感網絡具有低功耗、易傳輸等特點，通過自組織方式構成Ad hoc微型傳感網絡。微型傳感網絡通常是微型嵌入式系統，其處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電[1]。傳感網絡通常由傳感器、通信電路、嵌入式計算機技術、電源技術和數據處理電路等組成[2]，可以在任何時候、任何地點進行數據的采集、分析和處理，是較為便捷的獲取信息的途徑。對于處于信息時代的我們，它可以為我們提供便捷、實時的信息，也可以應用在荒漠、高樓以及危險的戰場和人們不太容易接觸的地方，完成定位、測量和處理控制等任務，同時它也在工業、電子消費、國防安全、智能交通、智慧農業、智能醫療、航空探索等領域有著舉足輕重的作用和廣泛的市場需求，為我們的生活帶來翻天覆地的變化。

由于無線傳感網絡均為大規模靜態布置，且處于環境惡劣、危險的場景中，這種場景下難以對節點進行充電或者更換，而能量又是制約無線傳感網絡性能的重要約束，如果能對傳感網絡節點周圍的能量進行捕捉利用，例如收集周圍能量為傳感網絡節點補充能量，則可以延長傳感器網絡生命周期。通過研究通信協議、能量收集技術為傳感器節點供能，大幅提升無線傳感網絡的工作壽命。

本文主要從幾個方面論述能量收集的關鍵技術，并詳細論述能量收集對于無線傳感網絡工作的重要性。能量收集（Energy Harvesting）主要利用外部能源進行能量供給，可以直接作為傳感器節點電源，也可作為輔助電源為電池供電。

1 系統模型及技術分析

無線傳感網絡由成千上萬個傳感器節點構成，廣泛分布于不同區域，如荒無人煙的沙漠、危險的戰場、大規模高低不同的建筑物等，通常由能量有限的電池供電。受傳感器節點自身體積限制，當能量消耗殆盡時，更換電池的工作較為繁瑣，而傳感器節點數量繁多，無法及時為每一個節點進行能量補充。因此，設計長久的可持續利用的傳感器節點就成為當下需要解決的重要問題，用有效的能量回收機制為傳感器節點長久工作奠定堅實基礎。

當前較大規模應用的能量收集（Energy Harvesting）技術包括射頻能量收集（RF Energy Harvesting）、太陽能能量收集（Solar Energy Harvesting）、振動能量收集（Vibration Energy Harvesting）、熱電能能量收集（Hot Energy Harvesting）、聲能能量收集（Acoustic Energy Harvesting）、風能能量收集（Wind Energy Harvesting），他們的特點是將外部能量轉化為電能為自身供電。能量收集的等效模型如圖1所示。

2 能量收集技術

2.1 射頻能量收集

射頻能量收集（RF Energy Harvesting）主要包括整流天線、能量管理模塊、負載和超級電容存儲等，其電路模型如圖2所示。

在當今無線設備普及的社會中，射頻電磁波普遍存在于周圍環境中，圖3所示為環境中平均射頻能量的密度分布。從圖中可以看出射頻能量主要分布在900 MHz，1.9 MHz，2.1 MHz，2.45 MHz和2.6 MHz[3]。

在文獻[4]的電路改進中，最終輸入信號的最小幅值為300 mV，最大轉換效率為37%，DC輸出電壓超1 V。實驗研究表明，天線是制約能量收集的主要因素。天線是用來接收或者發射電磁波的器件，連通自由空間和導波物質，主要分為孔徑型天線、天線陣列、棱鏡型天線、線型天線、 微帶天線、 反射型天線[5]。其中微帶天線具有體積小、成本低、容易集成、易實現雙極化以及雙頻段等優點，備受科研工作者的青睞，在民用和軍事方面都有著廣泛的使用。

2.2 太陽能能量收集

太陽能能量收集主要包括兩個方面。一種主要通過光熱收集，通過太陽光照射轉換成相應的熱能，其典型應用為太陽能熱水器，使用廣泛;另一種通過光電轉化技術進行能量收集，因其無污染等特點被廣泛應用。

通常用光伏電池將太陽能轉化為電能。光伏材料主要分為兩類，分別為硅晶太陽能電池和非硅晶太陽能電池。當太陽照射到光伏電池表面時，大部分光線在內部聚集，太陽輻射激發半導體中的載流子漂移，不同元素的硅元素在此作用下形成帶電動勢的空穴[6]，在電場作用下，負電荷被吸引到N區，正電荷被吸引到P區，由此產生了電勢差，形成電壓源。

把太陽能板看成電壓源，文獻[7]中給出了太陽能能量收集的等效模型，如圖4所示。文獻[8]的研究表明，在每天3～4 h的陽光照射下，可保證節點以10%的工作占空比持續工作約4～5年（電池一般壽命為4～5年，如果充電電池仍可使用，則工作時間更長），極大地延長了傳感器網絡節點的使用壽命。

2.3 振動能量收集

振動能量收集主要將物體振動所產生的機械能轉化為電能，主要分為磁式振動能量收集、壓電式振動能量收集、靜電式振動能量收集、磁致伸縮式振動能量收集和復合式振動能量收集[9]。根據文獻[10]的壓電振動研究可知，在外激勵頻率與壓電懸梁臂頻率接近時，能量收集裝置的電壓峰值達到73 V/N。在外接電阻達到1 MΩ時，能量收集裝置達到峰值，不再變化。

壓電能量收集裝置通過懸梁臂放置壓電材料，基座裝置固定，在懸梁臂另一端放置有質量的塊裝置或者能產生振動的裝置，通過振動使壓電材料產生形變，再經形變將機械能轉化為電能。

電磁式能量收集技術主要分為兩類，即直線共振型與非平衡轉動型[11]。其中直線共振能量收集利用振動使線圈與磁體產生相對位移從而產生電能，其裝置相對較為簡單。非平衡轉動型能量收集裝置利用永磁鐵或線圈擺位移產生電能，其裝置相對復雜。

靜電式能量收集技術主要通過靜電效應將機械能轉化為電能。當靜電收集裝置工作時，需要可變電容來存儲電能，再通過施加外部電源激勵使可變電容產生壓差，當機械振動產生時，可變電容點位將發生變化，進而使機械能轉化為電能。

2.4 熱電能能量收集

熱電能能量收集主要基于貝塞克效應[12]。貝塞克效應圖如圖5所示，在兩個不同的導體或者導電率不同的半導體a，b構成的回路中，兩個連接點（節點1、節點2）若存在溫差ΔT=T1-T2，就會產生感應電動勢，這時回路中有電流流過[12]。利用溫差發電器（Thermal Electric Generator，TEG）將熱能轉化為電能。

在文獻[13]的研究中，利用以LTC3109為核心構成電源管理模塊而設計的熱電能量收集電路通過熱電片收集環境余熱，其輸出電壓為3.3 V。

2.5 風能能量收集

環境中的風能無處不在。通常對于收集裝置的研究是科研人員較為關心的話題，因此研究和制作裝置成為科研人員急需解決的問題。微型化風能收集裝置并不常見，對于微型化的收集裝置有便攜帶、體積小、易于集成等要求[14]。2009年，西安機電研究所在諧振腔結構收集風能的改進研究過程中證明在300 m/s的高風速作用下輸出電壓可達39.5 V，其輸出功率為1.4 W，能滿足引信用電需求[15]。

2.6 聲能能量收集

聲波作為生活中常見的能量形式，無處不在。根據能量收集原理的不同，聲能收集可分為壓電式、靜電式、電磁式。文獻[16]中設計的用于收集聲波能量的摩擦納米發動機的原理便是利用聲音產生振動，從而實現聲波能量的收集。該收集裝置在聲波作用下的最大電壓和電流分別為232 V和2.1 mA。

國內的研究大多基于壓電材料進行聲能收集，其原理如圖6所示。在正弦波聲場中，當聲波頻率達到907 Hz的諧振頻率時，壓電陶瓷的開路輸出電壓可達4.6 V，在110 dB聲場中，負載達到11.2 kΩ時，輸出功率可達60.4 μW[17]。

3 結 語

無線傳感網絡的能量解決策略一直為眾多科研者所關注，通過有效的能量管理策略以及合理的能量收集可大大提升傳感器網絡的壽命。本文首先對無線傳感網絡在能量損耗方面以及更換電源所面臨的問題進行了全面分析，對當前無線傳感網絡能量收集方面的不足和對于能量損耗所帶來的問題進行了闡述，并從各方面敘述了能量收集技術，分析了我們當前環境中可以獲取的能量并對一些特定方法進行了概括。當前能量收集方式還存在很多不足，仍需要廣大科研者的不懈努力。希望在對能量收集及有效利用有一個清晰認識的基礎上，能夠對能量消耗問題有更清晰的了解，從而解決能量損耗問題。

參 考 文 獻

[1]彭立.無線傳感網絡[M].北京：冶金工業出版社，2011：4-8.

[2]吳光斌，粱長垠.無線傳感器網絡能量有效性的研究[J].傳感器技術，2004，31（7）：74-80.

[3]王昌碩.混合環境能量收集系統研究與設計[D].南京：江蘇大學，2015.

[4]王偉印.用于射頻能量收集的集成 RF-DC 轉換器的開發[D].杭州：浙江大學，2017.

[5]胡創.用于射頻能量收集的微帶陣列天線的設計研究 [D].武漢：武漢理工大學，2016.

[6]趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用 [M].北京：科學出版社，2005.

[7]陳慧杰.能量收集無線傳感器網絡能量管理策略研究[D].合肥：合肥理工大學，2015.

[8]李楠，劉成良，李彥明.無線傳感器網絡節點長壽命太陽能供電系統研究[J].高技術通訊，2010，20（11）：1201-1205.

[9]劉成龍，孟愛華，陳文藝，等.振動能量收集技術的研究現狀與發展趨勢[J].裝備制造技術，2013（12）：43-47.

[10]思建行，戴玉婷，楊淞，等.壓電懸臂梁振動能量收集仿真與試驗驗證[J].北京航空航天大學學報，2017，43（6）：1271-1277.

[11]陳勇，丁杰雄.電磁型振動能量收集器研究及發展現狀[J].微納電子技術，2012，49（8）：534-541.

[12] GOUPIL C.Continuum theory of thremoelectric elements[M].Wiley-VCH，2010.

[13]楊朝磊，王民慧，王武.利用環境余熱供電的無線溫度測量系統設計[J].傳感器技術，2018，31（6）：1004-1699.

[14]趙興強.基于顫振機理的微型壓電風致振動能量收集器基礎理論與關鍵技術[D].重慶：重慶大學，2013.

[15]雷軍命.引信氣流諧振壓電發電機[J].探測與控制學報，2009，23（1）：23-26.

[16]顧隴.摩擦納米發電機在聲波能量收集中的應用[D].蘭州：蘭州大學，2016.

[17]陳銳，姚曼文，鄭艷.基于壓電效應的聲能量收集[J].功能材料，2014，13（45）：1001-0371.