无线传感器网络能量收集技术分析.docx
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无线传感器网络能量收集技术分析
无线传感器网络能量收集技术分析
无线传感器网络能量收集技术分析
杜冬梅,何青,张志
(华北电力大学能源与动力工程学院电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206)
摘要:
对无线传感器网络节点的能量供应及其管理技术的现状进行了讨论.分析研究了无线传感
器网络节点的能量收集原理,技术与方法,认为无线传感器网络节点能量管理应从节能与供能两方
面去解决.对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析,这些能源包括太阳能,风能,
声能,振动,热电以及电磁场能等.最后提出了传感器节点应该采用尽可能多的方法从环境中吸取
能量,以确保传感器节点能够长期,稳定,可靠地工作.
关键词:
无线传感器网络;节点技术;能量管理;能量收集
中图分类号:
TP212.9文献标识码:
A文章编号:
1671—4776(2007)07/08—0430—04
TechniqueAnalysisofEnergyHarvestingfor
WirelessSensorNetwork
DUDong-mei,HEQing,ZHANGZhi
(KeyLabofConditionMonitorandControlforPowerPlantEquipment,
CollegeofEnergyandPowerEngineering,NoahChinaElectricPowerUniversity,BeOing102206,China)
Abstract:
ThestatuofenergysupplyandmanagementofWSNnodewasdiscussed,andtheprinciple,
techniqueandmethodofenergyharvestingwereanalyzed.Theresultsshowthatenergysavingandsup—
plyingaretwoaspectstosolvetheproblemsofenergymanagementofWSNnode.Theharvestingprinci—
pieandmethodofvariousenergyexistedinenvironmentweresummarized,suchassolarenergy,,Ⅳind
energy,soundenergy,vibrationenergy,thermoelectricenergy,electromagneticenergyandetc.Inorder
tomakeWSNnodeworkwell,longandreliably,energyharvestingmethodsadoptedasmanyaspossible
fromenvironmentforWSNnodewasproposed.
Keywords:
wirelesssensornetwork;nodetechnique;energymanagement;energyharvesting
1引言
作为全球未来十大技术之一的网络传感器技术
已受到人们的广泛重视.将成百上千的低成本,低
功耗,多功能的微型传感器装置组成adhoc微传感
器节点,散布在一定的地理区域,协同工作,构成了
一
个无线传感器网络_1].无线传感器网络具有自组
织,微型化和对外部世界的感知能力,综合了传感
器,嵌人式系统,通信和电源等多项新技术_1].无线
传感器网络节点通常由传感器,通信电路和数据处
收稿日期:
2007-05—23
理电路构成,可以放置于工厂设备,农田或战场等危
险或人类不便到达的地方完成定位,测量,控制等多
种功能,可以在任何时候,任何地点通过数据的收
集,处理,分析,散播提供一种崭新的信息通道,使人
们获得较为详细,可靠的信息,在工业控制与监测,
家庭,电子消费,国家安全,军事领域,交通管理,商
业,智能农业,环境监测,医疗健康监测,空间探索等
领域有着潜在和广泛的应用需求[1].
无线传感器网络节点一般是静止不动的,并可
能处在野外恶劣环境中,不允许更换电池,因此,无
微纳电子技术2007.~7/8期●蜀l~..如JuIy~August2007
线传感器网络节点的能源管理问题是延长无线网络
传感器应用寿命和降低成本的关键,成为无线传感
器网络的研究的核心问题之一,涉及到两个方面问
题,即供能与耗能问题r2].因此,要解决无线传感器
网络节点的能源管理问题也必须从这两个方面进行
深入细致的研究.目前,在解决耗能问题方面研究
较多,例如为了有效利用现有能量资源,延长网络的
生命周期,研究各种优化的路由通信协议等[3I.像
所有生物系统不可能只通过无限地降低自身消耗不
补充能量而能够长久维持系统正常状态一样,无线
传感器网络节点也不可能仅靠各种优化降耗的方法
使得节点长期正常工作下去,当各种措施使得能耗
已经降低到一定限度后,人们再努力也将得不到更
好的效果.因此,我们必须从能量供应的角度进行
研究,采取有效的方法为无线网络传感器提供源源
不断的能量供应.如同任何生物系统都能够从周围
环境中获取并储存能量那样,无线传感器网络节点
也可以从其所处环境中获取并储存能量,所以研究
如何从环境中有效地采集和储存能源能量的收集方
法越来越受到研究者的重视.
2对能量收集的要求
无线传感器网络一般由数量庞大的传感器节点
组成,并散布于一定区域内,通常采用电池提供能
量.但是,由于受到节点体积的限制,所配置的电池
能够提供的能量是非常有限的.同时,由于传感器
节点经常处在恶劣环境或人员不能到达的环境中,
另外传感器节点数量也非常大,因此无法为每个节
点更换电池.所以,一个设计全面周到能够长久使
用的传感器节点,必须从截流和挖潜两方面采取有
效措施,以改善节点的能源供应.所谓截流,就是要
采取各种节能机制尽量减少节点的能量消耗,延长
节点和网络的寿命.所谓挖潜,就是要采取各种方
法为传感器节点补充能量.从一定意义上讲,挖潜
比截流更能从根本上解决问题.挖潜的方法就是要
从传感器节点所在的环境中获取一切可以利用的能
源,即所谓的能量收集.
如图1所示为无线传感器网络节点的能量收集
与使用原理框图.能量收集与储存单元从节点所处
的环境中收集各种可资利用的能源并储存起来.当
节点需要能源时,将能量从储存单元中取出经过变
换得到节点上所需使用的总电源,通过供
电,节点上的各个元器件获得电源,例如模数转换
器,微控制器,射频收发器等,保证传感器的电源需
求,实现长期有效的供电.
图1无线传感器网络节点的能量收集与使用
根据传感器节点所处环境不同,环境中可以收
集的能源也不相同,所以单一能源的能量收集方法
难以保证无线传感器网络中所有节点均能可靠地获
取到所需的能源.为此,有必要为每个传感器节点
设置两种甚至更多种能源的能量收集方法,这就要
求在有限空问的无线传感器网络节点内部,根据节
点工作环境中可能的能源种类,尽可能配置综合的
能量收集电源.
3能量收集技术分析
在我们生活的物质空间里可能存在着各种潜在
的可以利用的能源,例如太阳(光)能,风能,热能,机
械振动能,声能,电磁场能等,如图2所示.如何在
小小的传感器网络节点上收集储存这些能源,是近
年来许多科学家努力研究的焦点问题之一,目前也
取得了一定的进展[6I加].其中,利用机械振动和光
能的能量收集技术研究比较多,并有相关器件的产
品出现,具有较好的应用前景.
太
一,~
乡/JuIy~August2007●雹匡微纳电子技术2007年第7/8期
量[12-13].压电材料在受到力的作用时发生变形并
产生极化电荷,将电荷转换成电压后就可以通过收
集电路储存起来,其原理如图3所示.
图3振动能量收集原理框图
充电
电池
通过一个直径4.6cm,高4.6cm的振动能量
收集器收集28Hz100mg的环境振动,可以获得
9.3w的电量_1.研究表明,收集器的体积增加
一
倍则收集到的电量也增加一倍;收集到的电量还
与振动频率成线性关系,与振动力成指数关系.因
此,国外许多研究者致力于压电能量收集器的研究,
并取得了相当的进展,有关试验性产品已经推
出[.
3.2太阳(光)能的收集
光电材料的新进展,使光能收集成为无线网络
传感器能量来源的另一种耗之不竭的新方法,光电
元件的安装和运行费用随着大规模的应用也可大大
减少.
光电采集的基本原理是利用光电材料吸收大量
的光子,如果光子足够多从而能激活光电池中的电
子,经过适当的结构设计,电子可被获取.光电元件
相当于解码器,在光的照射下产生电压,结合相应的
调整和储存电路可为负载实现供电.电量的多少是
收集的光能的函数,为获取较多的电量,光电元件通
常置于光照好的环境,并增大光照面积.通常的光
电池可产生电压DC0.5V,但实际电压输出随运行
温度的不同而变化,一般说来温度越低输出电压越
高,光照越强电流输出越大.如图4是一种典型光
电元件电流,电压与光照,温度关系的曲线_1.
为了产生系统需要的电压,需要将多个光电元件进
行串行连接.
光电技术发展从最初的硅晶体制造到今天微粒
子沉积在感光基片上,这种新材料可在室内或室外
工作,重量轻易安装,并受环境温度的影响减小,非
常适于为小型,远程的传感器提供电源.
3.3风能的收集
环境中的风是无处不在的.利用随处可得而又
未经开发的风能也是研究者致力研究的课题,必须
要解决技术难度和制造成本这两个难题.Arling—
ton德州大学使用成熟的压电和机械技术很好地解
图4光电元件的,-曲线
决了这两个难题.采用压电器件制造出的这种小型
发电机,可由8~16km/h的风力驱动,能为无线传
感器网络节点提供50mw的功率.发电机的桨叶
连到凸轮上,使围绕轴排成圆形的一串双压电晶片
产生振荡.一个采用APC855陶瓷制造的双压电晶
片可输出0.935W的功率,由11个压电晶片组成
的单元可输出10.2mw的功率.
3.4热电能的收集
温差电技术研究始于20世纪40年代,于20世
纪60年代达到高峰,并成功地在航天器上实现了长
时发电.温差发电机具有体积小,重量轻,无振动,
无噪音,性能可靠,维修少,可在极端恶劣环境下长
时间工作的特点,适合用作小于5w的小功率电
源,用于各种无人监视的传感器,微小短程通讯装置
以及医学和生理学研究仪器.目前,相关产品已进
入实用阶段.近几年来,温差发电机在民用方面也
表现出了良好的应用前景.
1942年,前苏联研制成功最早的温差发电机,
发电效率只有1.59/6~29/5,目前开发的温差发电
机,效率也普遍处于6~11.通过对热电转换
材料的深入研究和新材料的开发,不断提高热电性
能,争取在热源不变的情况下提高电输出功率已成
为温差电技术研究的核心内容.
德国科学家最近发明了一种利用人体温差产生
电能的新型电池,可以给便携式微型电子仪器提供
长久的"动力",免去了充电或更换电池的麻烦.只
要在人体皮肤与衣服等之间有5℃的温差,就可以
利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量.
3.5声能的收集
人造铌酸锂具有在高频高温下将声能转变为电
能的特殊功能.当声波遇到屏障时,声能会转化为
电能.英国科技人员根据这一原理,设计制造了鼓
膜式接收器,将接收器与能聚集声能的共鸣器连接,
当它把所收集的噪声输入声能变换器后,便可发出
电来.据测定,当喷气式飞机的噪声达到160dB
微纳电子技术2007年第7/8期@,~锄/JuIy~August2007
时,其发电功率可达100kW[16-17].
新型热声学发动机由一个长棒球棍状的共振器
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