李文彬，龐 帥，闞江明

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

微機(jī)電系統(tǒng)、無(wú)線通信、嵌入式等技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展［1］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面已得到廣泛應(yīng)用，尤其是農(nóng)業(yè)和森林監(jiān)測(cè)［2］。森林不斷受到病蟲(chóng)害和火災(zāi)等自然災(zāi)害的破壞，雖然地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感(RS)技術(shù)在森林監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但上述技術(shù)仍存在一些不足，如遙感圖像分辨率低、掃描周期長(zhǎng)，若遇火災(zāi)，圖像僅能反映火光、煙霧情況，無(wú)法獲取與火災(zāi)密切相關(guān)的溫濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)［3］。應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)地面監(jiān)測(cè)技術(shù)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集和處理各種環(huán)境條件下森林小氣候數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)把握森林生態(tài)信息，是未來(lái)森林監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向［4］。2008年下半年開(kāi)始，清華大學(xué)、香港科技大學(xué)、美國(guó)伊利諾伊理工學(xué)院等國(guó)內(nèi)外高校合作參與名為“綠野千傳”(GreenOrbs)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，在浙江天目山自然保護(hù)區(qū)部署1000多個(gè)森林監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器收集包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，在森林監(jiān)測(cè)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域開(kāi)展研究。根據(jù)所查到的文獻(xiàn)，這是當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)長(zhǎng)期并大規(guī)模開(kāi)展的實(shí)際野外森林環(huán)境無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究，2013年發(fā)表的文獻(xiàn)［5］記錄了對(duì)已經(jīng)部署好的330個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，沒(méi)有提到供電問(wèn)題。由于森林環(huán)境較惡劣，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)常進(jìn)行電池的更換非常麻煩，這也制約著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。本文首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，闡述供電問(wèn)題研究的重要性，然后介紹了多種可能為森林監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的方式。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在森林監(jiān)測(cè)中，可以監(jiān)測(cè)火災(zāi)、病蟲(chóng)害以及各種森林生境因子［3，6］。圖1是一種典型的自供電無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖，這種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理模塊、無(wú)線通信模塊、能量管理模塊和能量采集模塊等5部分構(gòu)成［7］。若無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是用來(lái)監(jiān)測(cè)火災(zāi)，則傳感器模塊主要完成森林監(jiān)測(cè)點(diǎn)諸如溫濕度、煙霧濃度等信息的采集和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換等功能［3］。

圖1 自供電無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．1 The hardware configuration diagram of the self-powered wireless sensor nodes

如果供電模塊設(shè)計(jì)的不好，那么即使系統(tǒng)其他模塊的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到最好效果，也彌補(bǔ)不了缺失良好供電模塊的缺陷，因?yàn)橐磺泄ぷ骺刂贫夹枰娔軄?lái)維持。由于森林環(huán)境復(fù)雜，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，分布廣泛，電池更換非常不便，所以研究森林環(huán)境能量收集，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電是非常有意義的，可以促進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2 森林中的環(huán)境能量供電方法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種環(huán)境能量收集技術(shù)進(jìn)行了研究，收集的能量大到可以為電力系統(tǒng)提供電能，如太陽(yáng)能發(fā)電站、風(fēng)能發(fā)電站等，小到可以為無(wú)線傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)供電，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的能量收集研究是熱點(diǎn)之一［8-11］。森林環(huán)境中存在的能量有太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、活立木生物電能、環(huán)境振動(dòng)能等。降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗，提高能量收集和利用效率可以為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在森林環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自供電提供保障［12］。本文針對(duì)可能應(yīng)用在森林環(huán)境中的5種能量收集技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2．1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是自然界中普遍存在的一種能源，能量巨大。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，并已取得重大進(jìn)展。臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)的Chien-Ying Chen教授設(shè)計(jì)了脈沖頻率調(diào)制(PFM)調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)的約束控制電路實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)輸出電壓約為4．2 V，可以在不改變目標(biāo)設(shè)備的情況下直接為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，能有效滿足節(jié)點(diǎn)的供電需求［13］。北京林業(yè)大學(xué)孫振佳對(duì)森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件組成和能耗狀況分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析驗(yàn)證了系統(tǒng)工作的可行性和穩(wěn)定性［14］。西北農(nóng)林科技大學(xué)張海輝等設(shè)計(jì)了一種能量自供給的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以支持強(qiáng)太陽(yáng)能和微弱太陽(yáng)能的收集，選用最優(yōu)能量管理策略且具有自恢復(fù)性，提高了太陽(yáng)能的利用率，延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器壽命［15］。南京航空航天大學(xué)劉杰設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能供電的森林環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從森林的特定環(huán)境以及最大限度提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率和降低節(jié)點(diǎn)功耗出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為傳感器節(jié)點(diǎn)供電［16］。太原理工大學(xué)的趙清華［17］和北京理工大學(xué)的李艷秋［18］也分別制作了太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。國(guó)外已出現(xiàn)實(shí)際使用的水下太陽(yáng)能供電無(wú)線傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近、遠(yuǎn)程無(wú)線通信的水下照度環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［19］。

由于森林環(huán)境復(fù)雜，太陽(yáng)能的實(shí)際使用情況并不一定理想。很多研究即使是針對(duì)森林監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器太陽(yáng)能供電問(wèn)題，也沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)在森林環(huán)境下驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，而是在模擬實(shí)驗(yàn)的情況下進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，例如文獻(xiàn) ［17］中，由于條件所限，并沒(méi)有對(duì)森林這一具體環(huán)境的溫度、濕度等做長(zhǎng)時(shí)間的采集與處理，在實(shí)驗(yàn)室條件下，選用北京泊菲萊科技有限公司推出的300 w氙燈光源系統(tǒng)SOLAREDGE700作為模擬光源來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析實(shí)驗(yàn)。完全依靠太陽(yáng)能來(lái)為森林監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的穩(wěn)定性還有待驗(yàn)證，太陽(yáng)能電池有很多種，但是所有種類(lèi)的缺陷都是能量轉(zhuǎn)化效率不高［20］，需要進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化率［21］，而且系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性需要在森林環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是應(yīng)用在火災(zāi)監(jiān)測(cè)這種極為重要的監(jiān)測(cè)情況。森林在夜晚黑暗環(huán)境下幾乎沒(méi)有光，白天應(yīng)盡可能多的收集和存儲(chǔ)太陽(yáng)能供夜晚使用。微光條件下的太陽(yáng)能采集是一個(gè)方向，如文獻(xiàn) ［22］中，設(shè)計(jì)了一種微光條件下的能量采集電源管理系統(tǒng)，在光強(qiáng)為200 lx，輸入功率低至45 μw的條件下，成功驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)最大功率為85 mw的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)工作。太陽(yáng)能收集用于森林監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電的困難除了森林光照情況外，還有濕度、灰塵的累積效應(yīng)以及動(dòng)植物的無(wú)規(guī)律影響，使得系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到制約，節(jié)點(diǎn)放置時(shí)需要盡量考慮這些因素，讓系統(tǒng)工作更加安全和穩(wěn)定。

2．2 風(fēng) 能

對(duì)于風(fēng)能的采集，研究者們也進(jìn)行了許多研究。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)能采集，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要采用微小型扇葉，由于微小型風(fēng)機(jī)所采集能量有限，所以后續(xù)匹配儲(chǔ)能電路需要做低功耗設(shè)計(jì)。新加坡國(guó)立大學(xué)的研究者介紹了一種超低功耗能量管理電路的優(yōu)化風(fēng)力換能系統(tǒng)，此能量管理電路的優(yōu)點(diǎn)是在1．2 V輸入電壓情況下，在風(fēng)速為3．62 m/s時(shí)可轉(zhuǎn)換得到7．86 mw能量，為常規(guī)系統(tǒng)的四倍［23］，并且該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套基于該風(fēng)能換能器的野外火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)能換能器的輸出電壓和電流可以間接得到風(fēng)速，具體自供電節(jié)點(diǎn)如圖2所示［24］。美國(guó)有學(xué)者提出壓電風(fēng)車(chē)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在6Hz與風(fēng)流共振的情況下，可以產(chǎn)生10．2 mw功率的能量，壓電風(fēng)車(chē)制造原型如圖3所示［25］。還有眾多其他學(xué)者研究了多種應(yīng)用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的風(fēng)力換能器［26-28］。韓國(guó)有學(xué)者在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，應(yīng)用優(yōu)化過(guò)的風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)的電磁換能器，有效地獲取環(huán)境中的氣流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的自供電，換能器可以產(chǎn)生的峰值電壓為5．2 V，在負(fù)載為150時(shí)峰值功率為60 mw，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，平均輸出功率是3 mw［29］。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)的吳寅指出手持式電子系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)尚未深入研究，將小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電是合適的，而且他從節(jié)點(diǎn)級(jí)別的能量管理角度設(shè)計(jì)了基于DC-DC變換器的最優(yōu)化能量管理算法，確保自供電節(jié)點(diǎn)工作在最大風(fēng)能采集并且最低功耗狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)速在3．5 m/s時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)完全的“永久性”工作，達(dá)到野外實(shí)際部署的要求［30-31］。

風(fēng)能的采集受風(fēng)速制約，如同太陽(yáng)能采集受光照條件制約一樣。森林環(huán)境的風(fēng)速情況復(fù)雜多變，在風(fēng)速較低的情況下，風(fēng)能采集難以發(fā)揮良好作用。與其他能量采集供電方式相同的一個(gè)趨勢(shì)是節(jié)能控制［32］，包括節(jié)點(diǎn)能量管理算法優(yōu)化。

圖2 風(fēng)能無(wú)線節(jié)點(diǎn)圖［24］Fig．2 Sensor node powered by wind energy［24］

圖3 壓電風(fēng)車(chē)原型圖［25］Fig．3 Piezoelectric windmill［25］

2．3 熱能

熱能發(fā)電是根據(jù)環(huán)境溫差來(lái)發(fā)電的，熱能能量轉(zhuǎn)化效率η遵循卡諾效率:

式中:Th和Tc分別代表熱端和冷端的溫度絕對(duì)值。溫差越大，能量轉(zhuǎn)化效率才會(huì)越高。

近年來(lái)，地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)在世界范圍蓬勃發(fā)展，一些地?zé)衢_(kāi)發(fā)項(xiàng)目在火山活動(dòng)地區(qū)使用常規(guī)水熱資源，另一些則選擇在非火山活動(dòng)區(qū)采用增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)技術(shù)開(kāi)發(fā)干熱巖地?zé)崮?，這些都是地?zé)犭娬炯?jí)別的熱能開(kāi)發(fā)［33］。另外，有研究人員采用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行瀝青路面集熱研究［34］、面向森林監(jiān)測(cè)的土壤溫差發(fā)電研究［35］。針對(duì)森林監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器供電問(wèn)題，北京林業(yè)大學(xué)張哲等［36］在測(cè)試分析淺層土壤和空氣的溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)，將太陽(yáng)輻射、空氣和淺層土壤熱能轉(zhuǎn)換為電能。

目前國(guó)內(nèi)普遍采用的熱能收集方式是利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)，熱電能量收集裝置在研究初期成本相對(duì)較高，并且發(fā)電效率低，晚上直接利用土壤和空氣、土壤不同深度之間的溫差發(fā)電難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)森林晝夜都能收集土壤溫差能，還有待進(jìn)一步研究。熱能研究的主要方向是熱電發(fā)電材料的性能提升、發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化和相關(guān)發(fā)電性能參數(shù)的優(yōu)化，并結(jié)合太陽(yáng)能的集熱技術(shù)，充分利用太陽(yáng)能的熱量和冷卻系統(tǒng)的溫差來(lái)收集能量［37-39］。因?yàn)闇夭畎l(fā)電目前產(chǎn)生能量較低，以其他能量級(jí)別稍大的能源為主，比如太陽(yáng)能，以溫差發(fā)電為輔，為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，文獻(xiàn) ［40］就是以太陽(yáng)能光伏電池背面粘貼的溫差發(fā)電片作為輔助能源為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。針對(duì)森林監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的熱電器件還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，目前半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件略顯笨重，在安裝和施工方面可以進(jìn)一步改進(jìn)，選用更優(yōu)的熱電器件，往便攜式方向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，便于安裝和維護(hù)。

2．4 活立木生物電能

相比太陽(yáng)能、風(fēng)能等能量收集研究，活立木生物電的研究在國(guó)內(nèi)外還比較少，屬于比較新的研究領(lǐng)域。對(duì)于活立木生物電產(chǎn)生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有定論。匈牙利學(xué)者1997年開(kāi)始持續(xù)測(cè)數(shù)據(jù)，在2002年的文獻(xiàn)［41］中，發(fā)現(xiàn)電勢(shì)差與空氣水勢(shì)，以及樹(shù)液通量密度有顯著的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明樹(shù)干與地之間存在的電勢(shì)差跟隨液流密度的變化而變化，然而電勢(shì)差的變化要滯后于液流通量指數(shù)的變化1～2 h，他們認(rèn)為活立木的蒸騰作用和根壓引起樹(shù)液的流動(dòng)是電勢(shì)差形成的最主要因素。法國(guó)有學(xué)者從2003年12月開(kāi)始測(cè)數(shù)據(jù)，在2006年發(fā)表的文獻(xiàn)［42］中，總結(jié)電勢(shì)差是活立木對(duì)液流、光合作用、適應(yīng)環(huán)境反饋控制的物理、化學(xué)、生化反應(yīng)的綜合體現(xiàn)，暫時(shí)還不能給出詳細(xì)的模型來(lái)解釋這個(gè)電勢(shì)差，他們提出了與液流動(dòng)電機(jī)理不同的一種基于電荷從導(dǎo)電液流溝道向電阻木質(zhì)部墻擴(kuò)散的活立木生物電產(chǎn)生機(jī)理。Christopher J．Love等人在排除可能的外部來(lái)源(例如射頻噪聲、地電流和不同金屬間的氧化還原反應(yīng)等)的前提下，測(cè)量了盆栽的垂葉榕樹(shù)的木質(zhì)部與其生長(zhǎng)的各種酸堿度土壤之間的電勢(shì)差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，活立木木質(zhì)部和土壤之間的pH值的變化是引起其內(nèi)部與生長(zhǎng)環(huán)境周?chē)耐寥乐g電勢(shì)差的主要原因［43］。

針對(duì)森林監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題，Voltree Power公司設(shè)計(jì)、測(cè)試了樹(shù)電環(huán)境檢測(cè)儀系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于愛(ài)達(dá)華州的博伊西國(guó)家森林的火災(zāi)監(jiān)測(cè)中［44］。北京林業(yè)大學(xué)李小婉從利用森林環(huán)境中的活立木生物電能與太陽(yáng)能角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)活立木生物電能產(chǎn)生機(jī)理分析，探討了活立木生物電能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了活立木生物電能與太陽(yáng)能的收集系統(tǒng)，模擬了森林環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)電路性能的測(cè)試，試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的電路基本滿足低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)哪芰啃枨螅?5］。北京林業(yè)大學(xué)郝志斌、尹鳳媛等也探討了活立木生物電能為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的問(wèn)題，分析了環(huán)境因子，例如環(huán)境溫度、土壤濕度和pH等對(duì)活立木生物電的影響［46-48］。

關(guān)于活立木生物電能的產(chǎn)生機(jī)理還在進(jìn)一步研究中，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少，總體來(lái)說(shuō)這一領(lǐng)域的研究還不廣泛。在后續(xù)的研究中，在探索活立木生物電能產(chǎn)生機(jī)理的同時(shí)，需要進(jìn)一步提高收集活立木生物電的能力，優(yōu)化現(xiàn)有電路，為實(shí)際應(yīng)用在森林監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電提供保障。

2．5 環(huán)境振動(dòng)能量

環(huán)境振動(dòng)能量收集也是近年來(lái)研究熱點(diǎn)，在森林環(huán)境中，風(fēng)能收集和振動(dòng)能量收集是相輔相成的。振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的方式主要有電磁、靜電和壓電這三種。對(duì)于電磁發(fā)電方式，磁體相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，類(lèi)似于發(fā)電機(jī);對(duì)于靜電方式，通過(guò)改變電容極板間距從電容中抽取電荷，使用這種方式，收集器還需要用于提供電荷的電壓源;對(duì)于壓電材料方式，材料的機(jī)械應(yīng)變產(chǎn)生電荷，振動(dòng)載荷引起交變電壓。無(wú)論是哪種發(fā)電形式，振動(dòng)能量收集系統(tǒng)的基本原理都如圖4所示，包括振動(dòng)發(fā)電、電能轉(zhuǎn)換、電能存儲(chǔ)和負(fù)載應(yīng)用等4部分。以壓電振動(dòng)發(fā)電為例，振動(dòng)發(fā)電部分就是基于壓電材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能是交流電，所以需要電能轉(zhuǎn)換模塊將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電能經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)模塊才可以更好的為負(fù)載應(yīng)用供電，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)載應(yīng)用就是為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。針對(duì)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)境振動(dòng)能量進(jìn)行了廣泛的研究。美國(guó)學(xué)者探討了環(huán)境振動(dòng)能量在實(shí)際應(yīng)用中的可能性，他分別設(shè)計(jì)了基于靜電原理的振動(dòng)發(fā)電器和基于壓電原理的振動(dòng)發(fā)電器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于壓電原理的振動(dòng)發(fā)電器的能量轉(zhuǎn)化效率更高，在環(huán)境振動(dòng)源為120 Hz，加速度為2．25 m/s2時(shí)可以產(chǎn)生的功率密度為200 μw/cm3，可以完全實(shí)現(xiàn)為日常環(huán)境低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電［49-50］。

圖4 振動(dòng)能量收集系統(tǒng)原理圖Fig．4 Schematic diagram of vibration energy harvesting

然而，環(huán)境中存在的大部分振動(dòng)是以多種頻率形式存在的，并不是一種單一的頻率［22］，響應(yīng)頻帶較窄是制約振動(dòng)能量收集應(yīng)用推廣的障礙之一，寬頻帶振動(dòng)能量收集器得到了研究［51］。風(fēng)致振動(dòng)能量收集技術(shù)可以應(yīng)用在森林監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電，在2．2節(jié)風(fēng)能部分提到的文獻(xiàn)［25］中應(yīng)用基于壓電收集方式的風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)裝置來(lái)收集能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，文獻(xiàn)［29］中基于電磁收集方式的風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)裝置可以有效的應(yīng)用在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電上。南京航空航天大學(xué)陳仁文等人總結(jié)了多方向?qū)掝l帶壓電振動(dòng)能量收集的研究進(jìn)展［52］，由于風(fēng)能的多方向不確定性，可以為風(fēng)致壓電振動(dòng)能量收集方式給無(wú)線傳感器供電提供參考。目前，大部分研究還沒(méi)有真正投入使用，都在仿真和實(shí)驗(yàn)階段，為提高系統(tǒng)安全性，有必要在自供電情況下對(duì)能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是感知能量匱乏情況［53］。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)超低功耗的發(fā)展，微小能量為其供電將成為可能。若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供電，可能需要多種環(huán)境能源并用，提高能量存儲(chǔ)能力，來(lái)確保能量的充足供給，并且能量需要合理的監(jiān)測(cè)和管理以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在努力提高各種能量轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，能量采集裝置需要便攜、易安裝和維護(hù)。本文簡(jiǎn)要介紹了可能為實(shí)現(xiàn)森林監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)自供電的5種能量收集方式，每種收集方式都取得了較好的進(jìn)展，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是當(dāng)前在森林監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電能源選擇中，可靠性最高、成本最低的選擇，關(guān)于生物電能量收集方式的研究較少，國(guó)內(nèi)外只有少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)在從事相關(guān)研究。相信在未來(lái)，環(huán)境微能量收集方面的研究可以推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域的發(fā)展，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在森林監(jiān)測(cè)中可以完全實(shí)現(xiàn)自供電。

［1］ Othman M F，Shazali K．Wireless sensor network applications:a study in environment monitoring system［J］．Procedia Engineering，2012，41:1204-1210．

［2］徐 磊，李 濱．基于ZigBee的無(wú)線農(nóng)田溫度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．森林工程，2013，29(3):79-82．

［3］田仲富，王述洋，黃英來(lái)．基于無(wú)線傳感器的嵌入式森林防火智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2014，9(6):209-215．

［4］劉勁風(fēng)，王 ?。疅o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．林業(yè)科技，2010，35(4):18-20．

［5］ Liu Y，He Y，Li M，et al．Does wireless sensor network scale?A measurement study on GreenOrbs［J］．IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2013，24(10):1983-1993．

［6］李 丹，孫利新，戴 巍，等．森林生境因子無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46(7):123-128．

［7］ Kawahara Y，Lakafosis V，Sawakami Y，et al．Design issues for energy harvesting enabled wireless sensing systems［A］．Proceedings of 2009 Asia Pacific Microwave Conference［C］，2009:2248-2251．

［8］ Aslan Y E，Korpeoglu I，Ulusoy ?．A framework for use of wireless sensor networks in forest fire detection and monitoring［J］．Computers，Environment and Urban Systems，2012，36(6):614-625．

［9］朱俊杰，李美成．無(wú)線傳感器微能源自供電技術(shù)的研究［J］．可再生能源，2012，30(11):55-60．

［10］ Qian H，Sun P，Rong Y．Design proposal of self-powered WSN node for battle field surveillance［J］．Energy Procedia，2012，16:753-757．

［11］ Eu Z A，Tan H P，Seah W K G．Opportunistic routing in wireless sensor networks powered by ambient energy harvesting［J］．Computer Networks，2010，54(17):2943-2966．

［12］ Rault T，Bouabdallah A，Challal Y．Energy efficiency in wireless sensor networks:A top-down survey［J］．Computer Networks，2014，67:104-122．

［13］ Chen C Y，Chou P H．DuraCap:a supercapacitor-based，powerbootstrapping，maximum power point tracking energy-harvesting system［A］．Proceedings of the 16th ACM/IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design:ACM［C］，2010:313-318．

［14］孫振佳．森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)研究［D］．北京:北京林業(yè)大學(xué)，2011．

［15］西北農(nóng)林科技大學(xué)．能量自供給的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):中國(guó)，CN103139936A［P］2013-06-05．

［16］劉 杰．基于太陽(yáng)能供電的森林環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2013．

［17］趙清華．無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理系統(tǒng)的研究［D］．太原:太原理工大學(xué)，2010．

［18］ Yongtai H，Lihui L，Yanqiu L．Design of solar photovoltaic micropower supply for application of wireless sensor nodes in complex il-lumination environments［J］．IET Wireless Sensor Systems，2012，2(1):16-21．

［19］ Alippi C，Camplani R，Galperti C，et al．A robust，adaptive，solarpowered WSN framework for aquatic environmental monitoring［J］．Sensors Journal，2011，11(1):45-55．

［20］ Kausar A S M Z，Reza A W，Saleh M U，et al．Energizing wireless sensor networks by energy harvesting systems:Scopes，challenges and approaches［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，38:973-989．

［21］ Horng G J，Chang T Y，Cheng S T．An effective node-selection scheme for the energy efficiency of solar-powered WSNs in a stream environment［J］．Expert Systems with Applications，2014，41(7):3143-3156．

［22］余 華，劉鵬宇．無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微光能量采集電源管理電路［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2014，35(2):253-257．

［23］ Tan Y K，Panda S K．Optimized wind energy harvesting system using resistance emulator and active rectifier for wireless sensor nodes［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(1):38-50．

［24］ Tan Y K，Panda S K．Self-autonomous wireless sensor nodes with wind energy harvesting for remote sensing of wind-driven wildfire spread［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60(4):1367-1377．

［25］ Priya S，Chen C T，F(xiàn)ye D，et al．Piezoelectric windmill:a novel solution to remote sensing［J］．Japanese Journal of Applied Physics，2005，44(1L):L104．

［26］ Sardini E，Serpelloni M．Passive and self-powered autonomous sensors for remote measurements［J］．Sensors，2009，9(2):943-960．

［27］ Flammini A，Marioli D，Sardini E，et al．An autonomous sensor with energy harvesting capability for airflow speed measurements［A］．2010 IEEE Conference:Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC)［C］，2010:892-897．

［28］ Sardini E，Serpelloni M．Self-powered wireless sensor for air temperature and velocity measurements with energy harvesting capability［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60(5):1838-1844．

［29］ Wu X，Lee D W．An electromagnetic energy harvesting device based on high efficiency windmill structure for wireless forest fire monitoring application［J］．Sensors and Actuators A:Physical，2014，219:73-79．

［30］ Wu Y，Liu W．Efficient power management for wireless sensor node with wind energy harvesting［J］．International Journal of Sensor Networks，2012，12(4):223-231．

［31］吳 寅．采用環(huán)境能量的自供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2013．

［32］張 松．基于風(fēng)能收集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能控制和數(shù)據(jù)保護(hù)的研究［D］．杭州:杭州電子科技大學(xué)，2012．

［33］羅蘭德洪恩，李克文．世界地?zé)崮馨l(fā)電新進(jìn)展［J］．科技導(dǎo)報(bào)，2012，30(32):60-66．

［34］胡普才，朱順敏，汪 岸，等．瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2014，38(4):834-838．

［35］陳明闊．面向森林監(jiān)測(cè)的熱電能量收集技術(shù)研究［D］．北京:北京林業(yè)大學(xué)，2014．

［36］ Zhang Z，Li W，Kang J．Behavior of a thermoelectric power generation device based on solar irradiation and the earth's surface-air temperature difference［J］．Energy Conversion and Management，2015，97:178-187．

［37］葉曉軍，周海峰，王榮杰，等．熱電發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．應(yīng)用能源技術(shù)，2014(8):33-37．

［38］朱冬生，吳紅霞，漆小玲，等．太陽(yáng)能溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．電源技術(shù)，2012，36(3):431-434．

［39］ Kausar A S M Z，Reza A W，Saleh M U，et al．Energizing wireless sensor networks by energy harvesting systems:Scopes，challenges and approaches［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，38:973-989．

［40］蘇 波，李艷秋，于紅云，等．從環(huán)境中獲取能量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)［J］．傳感器學(xué)報(bào)，2008，21(9):1586-1589．

［41］ Koppán A，F(xiàn)enyvesi A，Szarka L，et al．Measurement of electric potential difference on trees［J］．Acta Biologica Szegediensis，2002，46(3-4):37-38．

［42］ Gibert D，Le Mou?l J L，Lambs L，et al．Sap flow and daily electric potential variations in a tree trunk［J］．Plant Science，2006，171(5):572-584．

［43］ Christopher J L，Zhang S G，Andress M．Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted ficus benjamina tree and its soil［J］．Plos one，2008，3(8):e2963．

［44］ 張唯誠(chéng)．植物，未來(lái)發(fā)電廠［J］．科學(xué)與文化，2012(7):28-29．

［45］ Li X，Gao L，Li W，et al．Exploration on trans-root potential of living trees［J］．Journal of Information ＆ Computational Science，2013，10(18):6131-6138．

［46］ Hao Z，Li W，Kan J，et al．Bioelectricity in standing trees-A potential energy for wireless sensor networks［J］．TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering，2013，11(8):4841-4846．

［47］徐 慶，闞江明，郝志斌．活立木生物電及其環(huán)境因子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．森林工程，2014，30(4):98-102．

［48］ Yin F，Li W．Research on characteristics and harvesting circuit of standing tree bioelectricity［J］．Journal of Information and Computational Science，2015，12(6):2325-2334．

［49］ Roundy S，Wright P K，Rabaey J．A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes［J］．Computer Communications，2003，26(11):1131-1144．

［50］ Roundy S，Wright P K．A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics［J］．Smart Materials and Structures，2004，13(5):1131．

［51］ Kasyap A．Energy harvesting powered wireless sensor node and asset tracking solutions in random vibration environments［R］．Hampton:Adaptive Energy，White Paper，2009．

［52］陳仁文，仁 龍，夏樺康，等．多方向?qū)掝l帶壓電式振動(dòng)能量采集器研究進(jìn)展［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35(12):2641-2652．

［53］ Severini M，Squartini S，Piazza F，et al．Energy-aware task scheduler for self-powered sensor nodes:From model to firmware［J］．Ad Hoc Networks，2015，24:73-91．