無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量收集策略的研究

 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)改變?nèi)藗兩钜约碍h(huán)境的重要技術(shù)，正受到越來(lái)越多科學(xué)研究者的關(guān)注。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、易傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，通過(guò)自組織方式構(gòu)成 Ad hoc 微型傳感網(wǎng)絡(luò)。微型傳感網(wǎng)絡(luò)通常是微型嵌入式系統(tǒng)，其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過(guò)攜帶能量有限的電池供電[1]。傳感網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器、通信電路、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、電源技術(shù)和數(shù)據(jù)處理電路等組成 [2]，可以在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，是較為便捷的獲取信息的途徑。對(duì)于處于信息時(shí)代的我們，它可以為我們提供便捷、實(shí)時(shí)的信息，也可以應(yīng)用在荒漠、高樓以及危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)和人們不太容易接觸的地方，完成定位、測(cè)量和處理控制等任務(wù)，同時(shí)它也在工業(yè)、電子消費(fèi)、國(guó)防安全、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、航空探索等領(lǐng)域有著舉足輕重的作用和廣泛的市場(chǎng)需求，為我們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。

由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)均為大規(guī)模靜態(tài)布置，且處于環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)的場(chǎng)景中，這種場(chǎng)景下難以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電或者更換，而能量又是制約無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)性能的重要約束，如果能對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)周圍的能量進(jìn)行捕捉利用，例如收集周圍能量為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量，則可以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。通過(guò)研究通信協(xié)議、能量收集技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)供能， 大幅提升無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。

本文主要從幾個(gè)方面論述能量收集的關(guān)鍵技術(shù)，并詳細(xì)論述能量收集對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)工作的重要性。能量收集（Energy Harvesting）主要利用外部能源進(jìn)行能量供給， 可以直接作為傳感器節(jié)點(diǎn)電源，也可作為輔助電源為電池供電。

1 系統(tǒng)模型及技術(shù)分析

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，廣泛分布于不同區(qū)域，如荒無(wú)人煙的沙漠、危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)、大規(guī)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(jié)點(diǎn)自身體積限制，當(dāng)能量消耗殆盡時(shí)，更換電池的工作較為繁瑣，而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量繁多，無(wú)法及時(shí)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。因此，設(shè)計(jì)長(zhǎng)久的可持續(xù)利用的傳感器節(jié)點(diǎn)就成為當(dāng)下需要解決的重要問(wèn)題，用有效的能量回收機(jī)制為傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)久工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

當(dāng)前較大規(guī)模應(yīng)用的能量收集（Energy Harvesting） 技術(shù)包括射頻能量收集（RF Energy Harvesting）、 太陽(yáng)能 能 量 收 集（Solar Energy Harvesting）、 振 動(dòng) 能 量 收 集（Vibration Energy Harvesting）、熱電能能量收集（HotEnergy Harvesting）、聲能能量收集（Acoustic Energy Harvesting）、風(fēng)能能量收集（Wind Energy Harvesting），他們的特點(diǎn)是將外部能量轉(zhuǎn)化為電能為自身供電。能量收集的等效模型如圖 1 所示。

圖 1 能量收集模型

2 能量收集技術(shù)

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(fù)載和超級(jí)電容存儲(chǔ)等，其電路模型如圖 2 所示。

在當(dāng)今無(wú)線設(shè)備普及的社會(huì)中，射頻電磁波普遍存在于周圍環(huán)境中，圖 3 所示為環(huán)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，MHz，2.45 MHz 和 2.6MHz[3] 。

在文獻(xiàn) [4] 的電路改進(jìn)中，最終輸入信號(hào)的最小幅值為300 mV，最大轉(zhuǎn)換效率為 37%，DC 輸出電壓超 1 V。實(shí)驗(yàn)研究表明，天線是制約能量收集的主要因素。天線是用來(lái)接收或者發(fā)射電磁波的器件，連通自由空間和導(dǎo)波物質(zhì)，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(shí)現(xiàn)雙極化以及雙頻段等優(yōu)點(diǎn)，備受科研工者的青睞，在民用和軍事方面都有著廣泛的使用。

2.2 太陽(yáng)能能量收集

太陽(yáng)能能量收集主要包括兩個(gè)方面。一種主要通過(guò)光熱收集，通過(guò)太陽(yáng)光照射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱能，其典型應(yīng)用為太陽(yáng)能熱水器，使用廣泛 ；另一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行能量收集，因其無(wú)污染等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

通常用光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。光伏材料主要分為兩類，分別為硅晶太陽(yáng)能電池和非硅晶太陽(yáng)能電池。當(dāng)太陽(yáng)照射到光伏電池表面時(shí)，大部分光線在內(nèi)部聚集，太陽(yáng)輻射激發(fā)半導(dǎo)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(dòng)勢(shì)的空穴 [6]，在電場(chǎng)作用下，負(fù)電荷被吸引到 N 區(qū)，正電荷被吸引到 P 區(qū)，由此產(chǎn)生了電勢(shì)差，形成電壓源。

把太陽(yáng)能板看成電壓源，文獻(xiàn) [7]中給出了太陽(yáng)能能量收集的等效模型，如圖 4所示。文獻(xiàn) [8]的研究表明，在每天 3～4h的陽(yáng)光照射下，可保證節(jié)點(diǎn)以 10%的工作占空比持續(xù)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(shí)間更長(zhǎng)），極大地延長(zhǎng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

2.3 振動(dòng)能量收集

振動(dòng)能量收集主要將物體振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，主要分為磁式振動(dòng)能量收集、壓電式振動(dòng)能量收集、靜電式振動(dòng)能量收集、磁致伸縮式振動(dòng)能量收集和復(fù)合式振動(dòng)能量收集 [9]。根據(jù)文獻(xiàn) [10] 的壓電振動(dòng)研究可知，在外激勵(lì)頻率與壓電懸梁臂頻率接近時(shí)，能量收集裝置的電壓峰值達(dá)到 73 V/N。在外接電阻達(dá)到 1 MΩ 時(shí)，能量收集裝置達(dá)到峰值，不再變化。

壓電能量收集裝置通過(guò)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(zhì)量的塊裝置或者能產(chǎn)生振動(dòng)的裝置，通過(guò)振動(dòng)使壓電材料產(chǎn)生形變，再經(jīng)形變將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

電磁式能量收集技術(shù)主要分為兩類，即直線共振型與非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)型 [11]。其中直線共振能量收集利用振動(dòng)使線圈與磁體產(chǎn)生相對(duì)位移從而產(chǎn)生電能，其裝置相對(duì)較為簡(jiǎn)單。非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)型能量收集裝置利用永磁鐵或線圈擺位移產(chǎn)生電能， 其裝置相對(duì)復(fù)雜。

靜電式能量收集技術(shù)主要通過(guò)靜電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)靜電收集裝置工作時(shí)，需要可變電容來(lái)存儲(chǔ)電能， 再通過(guò)施加外部電源激勵(lì)使可變電容產(chǎn)生壓差，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，可變電容點(diǎn)位將發(fā)生變化，進(jìn)而使機(jī)械能轉(zhuǎn)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(yīng)[12]。貝塞克效應(yīng)圖如圖 5 所示，在兩個(gè)不同的導(dǎo)體或者導(dǎo)電率不同的半導(dǎo)體a， b 構(gòu)成的回路中，兩個(gè)連接點(diǎn)（節(jié)點(diǎn) 1、節(jié)點(diǎn) 2）若存在溫差ΔT=T -T ，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)回路中有電流流過(guò) [12]。利用溫差發(fā)電器（Thermal Electric Generator，TEG）將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

圖 5 貝塞克效應(yīng)圖

在文獻(xiàn) [13] 的研究中，利用以 LTC3109 為核心構(gòu)成電源管理模塊而設(shè)計(jì)的熱電能量收集電路通過(guò)熱電片收集環(huán)境余熱，其輸出電壓為 3.3 V。

2.5 風(fēng)能能量收集

環(huán)境中的風(fēng)能無(wú)處不在。通常對(duì)于收集裝置的研究是科研人員較為關(guān)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(wèn)題。微型化風(fēng)能收集裝置并不常見(jiàn)，對(duì)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(jī)電研究所在諧振腔結(jié)構(gòu)收集風(fēng)能的改進(jìn)研究過(guò)程中證明在 300 m/s 的高風(fēng)速作用下輸出電壓可達(dá) 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(jiàn)的能量形式，無(wú)處不在。根據(jù)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(xiàn) [16] 中設(shè)計(jì)的用于收集聲波能量的摩擦納米發(fā)動(dòng)機(jī)的原理便是利用聲音產(chǎn)生振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)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(guó)內(nèi)的研究大多基于壓電材料進(jìn)行聲能收集，其原理如圖 6所示。在正弦波聲場(chǎng)中，當(dāng)聲波頻率達(dá)到 907Hz的諧振頻率時(shí)，壓電陶瓷的開(kāi)路輸出電壓可達(dá) 4.6V，在 110dB聲場(chǎng)中，負(fù)載達(dá)到 11.2 kΩ 時(shí)，輸出功率可達(dá) 60.4 μW[17]。

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量解決策略一直為眾多科研者所關(guān)注，通過(guò)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(wǎng)絡(luò)的壽命。本文首先對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在能量損耗方面以及更換電源所面臨的問(wèn)題進(jìn)行了全面分析，對(duì)當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量收集方面的不足和對(duì)于能量損耗所帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并從各方面敘述了能量收集技術(shù)，分析了我們當(dāng)前環(huán)境中可以獲取的能量并對(duì)一些特定方法進(jìn)行了概括。當(dāng)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(duì)能量收集及有效利用有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)δ芰肯膯?wèn)題有更清晰的了解，從而解決能量損耗問(wèn)題。