郭穎，張湧濤

(華北理工大學 電氣工程學院，河北 唐山 063210)

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基于微能源收集技術(shù)的傳感器節(jié)點

郭穎，張湧濤

(華北理工大學 電氣工程學院，河北 唐山 063210)

無線傳感器節(jié)點；能量收集；能量管理；低功耗

針對無線傳感器節(jié)點能量供應(yīng)的問題，設(shè)計了一款從環(huán)境中提取能量的傳感器節(jié)點。該節(jié)點采用太陽能和射頻能量混合供能方式，以鋰離子電池和超級電容為儲能裝置，運用低功耗管制策略。實驗結(jié)果表明，從所處空間中獲取能量的方式可以增加節(jié)點的生命周期，并可有效改善單項環(huán)境能供不應(yīng)求的情況。

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受各國的重視，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越寬泛，如今其應(yīng)用以逐步深入到工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學、環(huán)境、軍事和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。然而，作為整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的節(jié)點往往安插在維護不易、環(huán)境復雜、無人看守極端環(huán)境中，如果采用傳統(tǒng)的干電池供電方式，人為的更換電池實屬不易，而且也大大增加了無線傳感器的維護成本[2]。對于節(jié)點供能這個限制因素，提出了一款太陽能和射頻能互補的混合供能方式，通過太陽能光伏發(fā)電裝置和射頻能天線發(fā)電裝置從環(huán)境中換取能量，采用高效、合理的管理方式進行能量管理，利用鋰電池和超級電容混合儲能的方式進行能量存儲，并對降低能耗的幾種途徑進行探討，從而實現(xiàn)節(jié)點持久有效工作。

1 能量采集原理

1.1 太陽能采集原理

太陽能需要憑借轉(zhuǎn)換裝置完成光電轉(zhuǎn)換。光-電轉(zhuǎn)換的基本原理是光生伏特效應(yīng)，基本裝置是光伏電池。光伏電池基本上是由半導體材料制成，當光照射時，半導體內(nèi)部激發(fā)出電子-空穴對，并且在p-n結(jié)電場的作用下使它們分開，然后向著它們對立的區(qū)域移動，最后在2個區(qū)域產(chǎn)生異號電荷的累積，從而出現(xiàn)光生電壓。如果在電池外部接上導線或電阻形成回路就會有電流流過，這就是電池實現(xiàn)光能-電能轉(zhuǎn)換的過程[3-4]。該項研究中太陽能電池選擇面積為90 mm × 65 mm單晶硅太陽能電池板，因為它堅固耐用能在惡劣的環(huán)境中持續(xù)工作。其I-V 特性曲線如圖1所示。

圖1 光伏電池U-I特性曲線

1.2 射頻能量采集原理

射頻能量采集系統(tǒng)通過特制的天線接收散布在空間的電磁波為傳感器節(jié)點供能，移動電話、移動基站、電視、無線廣播臺等都會發(fā)射這些電磁波。因為通過天線的匹配電路捕獲的射頻能量經(jīng)輸出為小電流交流電，所以要經(jīng)過整流升壓電路產(chǎn)生DC直流信號，才能為傳感器節(jié)點供電。在射頻能量采集系統(tǒng)中天線的選擇影響著整個系統(tǒng)的能量利用率，天線不但對重量、體積有要求,而且對接收面積也有嚴格要求，因此，該項研究選擇天線時要綜合考慮各個因素而不是單獨考慮頻率問題[5-6]。其能量收集原理圖如圖2所示。

圖2 射頻能量收集系統(tǒng)的原理

2 能量存儲

在傳感器節(jié)點自供能系統(tǒng)中，不但在環(huán)境利用率方面存在問題，能量存儲方面也面臨著嚴峻的考驗。目前，人們使用的能量存儲裝置日新月異，根據(jù)所得能量的不同存儲設(shè)備亦不盡相同。而該項研究采用鋰離子電池、超級電容器混合能量存儲技術(shù)進行存儲以提高其各自存儲的效率，其性能差別如表1所示。

表1 性能比較

之所以選擇混合儲能技術(shù)進行能量存儲，是因為它們的缺點可以相互彌補。鋰離子電池的單位體積輸出功率和循環(huán)次數(shù)比超級電容器差很多，但它單位體積包含的能量卻遙遙領(lǐng)先與超級電容器。因此，它們的混合使用實現(xiàn)了優(yōu)勢互補、揚長避短。

3 能量管理策略

當光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出效率和電壓比較高時，必須通過穩(wěn)壓電路使電壓值處于指定范圍內(nèi)后才能給節(jié)點供電，當有富余能量時可以接續(xù)給鋰離子電池充電；相比于其他能量，射頻信號非常小，為了實現(xiàn)最大功率輸出，需要設(shè)計與天線相匹配的匹配電路并進行阻抗系數(shù)的相應(yīng)搜索，因其輸出為交流信號所以還需進行AC/DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)整流濾波后才能給超級電容充電，最后通過升壓電路使超級電容兩端電壓達到設(shè)定閾值后給鋰離子電池充電。

能量管理系統(tǒng)框圖如圖3所示。工作原理：當光照充沛時，太陽能電池通過穩(wěn)壓電路使電壓處于指定范圍后一邊給節(jié)點供電，一邊把富余的電量保存到鋰離子電池中；貼片天線和匹配電路組成的采集裝置采集的射頻能量經(jīng)整流升壓后向超級電容器充電。隨著超級電容器的電壓的增加直至高達高臨界值時，開關(guān)電路1導通，單片機工作并操控開關(guān)電路2導通，此時電容器通過升壓電路滿足設(shè)定電壓要求后同時為負載和鋰電池供電。接著電容器的電壓下降直至到達低臨界值時，開關(guān)電路1切斷，單片機工作結(jié)束并控制開關(guān)電路2切斷，電容器不再釋放電能，使該系統(tǒng)回到最開始的形態(tài)。當遇到陰雨天氣或晚上，光電轉(zhuǎn)換裝置輸出功率相比于光照充沛時較低，并且射頻能量比較弱時，此時由鋰電池為傳感器節(jié)點提供能量[7-8]。在本系統(tǒng)中，單片機、比較器等均為有源器件，當它們工作時都要消耗能量，因此，在單片機上采用了低功耗的能量管理策略，僅僅在超級電容器放電時，單片機才處于能量消耗的工作狀態(tài)，這使系統(tǒng)的能量損耗大大減少，延長了無線傳感器節(jié)點的壽命。

圖3 能量管理系統(tǒng)框圖

4 低功耗措施

提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法除了應(yīng)用微能源為其節(jié)點提供電能外，降低能量消耗也是必不可少的有效措施。目前國內(nèi)外降低WSN功耗主要技術(shù)[10-11]分為以下幾種：

(1)物理方法即選擇功耗低的處理器芯片，并且需要支持睡眠模式。無線傳感器節(jié)點中能量花費最高的模塊是處理器模塊，所以選取適當?shù)玫秃哪苄酒种匾?/p>

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路訪問控制協(xié)議采用"偵聽/睡眠"模式,當節(jié)點要收發(fā)數(shù)據(jù)時,就啟動無線通訊模式傳輸數(shù)據(jù),當沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時,通過和鄰居節(jié)點保持一致,調(diào)整"偵聽/睡眠"周期后,從而閉合各部分以開啟睡眠模式,來降低能量花費。

(3)路由協(xié)議主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)能量消耗路徑、數(shù)據(jù)融合、節(jié)點的位置的選取這些方面達到節(jié)能的目的。

(4)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以消除冗余數(shù)據(jù)，處于復雜的情形時，每個節(jié)點發(fā)送不同的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，而不是這些節(jié)點收羅到的同一數(shù)據(jù)同時發(fā)給匯聚節(jié)點，這使整個網(wǎng)絡(luò)能耗大大降低。

(5)合理的功率分配能使無線傳感器節(jié)點能量花費最小,而且增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存年限。合理功率分配的一般方法為尋找近似解。

5 實驗測試

將封裝好的傳感器節(jié)點放在空曠的操場上進行性能測試，無線傳感器節(jié)點的恒定工作電壓為3.3 V；超級電容器容量為0.47 F，額定電壓為2.7 V；鋰離子電池的最高電壓為4.2 V，過放電保護電壓為3 V，初始電壓為3.2 V[9]。

5.1 超級電容器充電曲線

圖4為天線經(jīng)整流后向超級電容器充電的曲線，圖5為其自放電曲線。以1 V為例，其兩端電壓達到1 V時耗時大約是30 min，而其從1 V放點至兩端電壓為0 V時，大約需要1 800 min，由此可知，超級電容器存儲的電能遠大于其自放電消耗的電能。因此，當其兩端電壓達到峰值時將能量貯存到鋰電池中去。

圖4 超級電容器充電曲線

5.2 鋰離子電池充電曲線

圖6為某3 d鋰離子電池兩端電壓隨時間變化曲線，當光電轉(zhuǎn)換裝置輸出功率大時，例如白天，該裝置共同向節(jié)點和鋰離子電池充電。當光電轉(zhuǎn)換裝置輸出功率小時，大多在晚上，只能使鋰離子電池向無線傳感器節(jié)點供電，鋰離子電池兩端電壓下降。在第3天14：00左右，鋰離子電池兩端電壓不在變化，證明其被充滿，此時充電電路被斷開，由太陽能電池單獨為節(jié)點供電。采用該能量管理策略，用充滿電的鋰離子電池獨自為節(jié)點供電能夠維持數(shù)天，這大大延長了它的生命周期。

圖6 鋰離子電池兩端電壓隨時間變化曲線

6 結(jié)論

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將促進世界各個范疇的全面提升，但能源供應(yīng)不足一直是限制甚至阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵問題。該項目將能量收集方法、存儲方案、能量管理策略及低功耗措施相結(jié)合大大延長無線傳感器節(jié)點生命周期，從根本上解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的能源問題。

(2)從環(huán)境中采集微能源為無線傳感器節(jié)點供電的同時降低節(jié)點功耗，這將是其研究的重要方向，也將對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的成長起到一定的促進作用。

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Sensor Node Based on Micro Energy Collection Technology

GUO Ying,ZHANG Yong-tao

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

wireless sensor node; energy collection; energy management; low power consumption

Aiming at the energy supply problem of wireless sensor nodes,a sensor node for extracting energy from environment was designed.Mixed energy supply mode of solar energy and RF energy was adopted in the node,lithium ion battery and super capacitor were taken as energy storage device,and low power energy management strategy was used.The experimental results show that the way to obtain energy from the space can increase the life cycle of the node,and effectively improve the in short supply situation of single environmental energy.

2095-2716(2017)03-0082-06

2016-12-28

2017-05-02

TP212.1

A