郭穎，張湧濤

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)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(diǎn)

郭穎，張湧濤

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)；能量收集；能量管理；低功耗

針對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)的問題，設(shè)計(jì)了一款從環(huán)境中提取能量的傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能和射頻能量混合供能方式，以鋰離子電池和超級(jí)電容為儲(chǔ)能裝置，運(yùn)用低功耗管制策略。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的生命周期，并可有效改善單項(xiàng)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(guó)的重視，其在各個(gè)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(xué)、環(huán)境、軍事和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]。然而，作為整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的節(jié)點(diǎn)往往安插在維護(hù)不易、環(huán)境復(fù)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(shí)屬不易，而且也大大增加了無線傳感器的維護(hù)成本[2]。對(duì)于節(jié)點(diǎn)供能這個(gè)限制因素，提出了一款太陽(yáng)能和射頻能互補(bǔ)的混合供能方式，通過太陽(yáng)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(jìn)行能量管理，利用鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的方式進(jìn)行能量存儲(chǔ)，并對(duì)降低能耗的幾種途徑進(jìn)行探討，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)持久有效工作。

1 能量采集原理

1.1 太陽(yáng)能采集原理

太陽(yáng)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(dǎo)體材料制成，當(dāng)光照射時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)出電子-空穴對(duì)，并且在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下使它們分開，然后向著它們對(duì)立的區(qū)域移動(dòng)，最后在2個(gè)區(qū)域產(chǎn)生異號(hào)電荷的累積，從而出現(xiàn)光生電壓。如果在電池外部接上導(dǎo)線或電阻形成回路就會(huì)有電流流過，這就是電池實(shí)現(xiàn)光能-電能轉(zhuǎn)換的過程[3-4]。該項(xiàng)研究中太陽(yáng)能電池選擇面積為90 mm × 65 mm單晶硅太陽(yáng)能電池板，因?yàn)樗鼒?jiān)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(diǎn)供能，移動(dòng)電話、移動(dòng)基站、電視、無線廣播臺(tái)等都會(huì)發(fā)射這些電磁波。因?yàn)橥ㄟ^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(hào)，才能為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。在射頻能量采集系統(tǒng)中天線的選擇影響著整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率，天線不但對(duì)重量、體積有要求,而且對(duì)接收面積也有嚴(yán)格要求，因此，該項(xiàng)研究選擇天線時(shí)要綜合考慮各個(gè)因素而不是單獨(dú)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(chǔ)

在傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǔ)方面也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前，人們使用的能量存儲(chǔ)裝置日新月異，根據(jù)所得能量的不同存儲(chǔ)設(shè)備亦不盡相同。而該項(xiàng)研究采用鋰離子電池、超級(jí)電容器混合能量存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)以提高其各自存儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量存儲(chǔ)，是因?yàn)樗鼈兊娜秉c(diǎn)可以相互彌補(bǔ)。鋰離子電池的單位體積輸出功率和循環(huán)次數(shù)比超級(jí)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(jí)電容器。因此，它們的混合使用實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、揚(yáng)長(zhǎng)避短。

3 能量管理策略

當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出效率和電壓比較高時(shí)，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(diǎn)供電，當(dāng)有富余能量時(shí)可以接續(xù)給鋰離子電池充電；相比于其他能量，射頻信號(hào)非常小，為了實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，需要設(shè)計(jì)與天線相匹配的匹配電路并進(jìn)行阻抗系數(shù)的相應(yīng)搜索，因其輸出為交流信號(hào)所以還需進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)整流濾波后才能給超級(jí)電容充電，最后通過升壓電路使超級(jí)電容兩端電壓達(dá)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(dāng)光照充沛時(shí)，太陽(yáng)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(diǎn)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(jí)電容器充電。隨著超級(jí)電容器的電壓的增加直至高達(dá)高臨界值時(shí)，開關(guān)電路1導(dǎo)通，單片機(jī)工作并操控開關(guān)電路2導(dǎo)通，此時(shí)電容器通過升壓電路滿足設(shè)定電壓要求后同時(shí)為負(fù)載和鋰電池供電。接著電容器的電壓下降直至到達(dá)低臨界值時(shí)，開關(guān)電路1切斷，單片機(jī)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(dāng)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(shí)較低，并且射頻能量比較弱時(shí)，此時(shí)由鋰電池為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量[7-8]。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)、比較器等均為有源器件，當(dāng)它們工作時(shí)都要消耗能量，因此，在單片機(jī)上采用了低功耗的能量管理策略，僅僅在超級(jí)電容器放電時(shí)，單片機(jī)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(zhǎng)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(guó)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(diǎn)中能量花費(fèi)最高的模塊是處理器模塊，所以選取適當(dāng)?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(dāng)節(jié)點(diǎn)要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),就啟動(dòng)無線通訊模式傳輸數(shù)據(jù),當(dāng)沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí),通過和鄰居節(jié)點(diǎn)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(fèi)。

(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(diǎn)的位置的選取這些方面達(dá)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(fù)雜的情形時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn)，而不是這些節(jié)點(diǎn)收羅到的同一數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，這使整個(gè)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(diǎn)能量花費(fèi)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(shí)驗(yàn)測(cè)試

將封裝好的傳感器節(jié)點(diǎn)放在空曠的操場(chǎng)上進(jìn)行性能測(cè)試，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的恒定工作電壓為3.3 V；超級(jí)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(hù)電壓為3 V，初始電壓為3.2 V[9]。

5.1 超級(jí)電容器充電曲線

圖4為天線經(jīng)整流后向超級(jí)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(dá)到1 V時(shí)耗時(shí)大約是30 min，而其從1 V放點(diǎn)至兩端電壓為0 V時(shí)，大約需要1 800 min，由此可知，超級(jí)電容器存儲(chǔ)的電能遠(yuǎn)大于其自放電消耗的電能。因此，當(dāng)其兩端電壓達(dá)到峰值時(shí)將能量貯存到鋰電池中去。

圖4 超級(jí)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(shí)間變化曲線，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置輸出功率大時(shí)，例如白天，該裝置共同向節(jié)點(diǎn)和鋰離子電池充電。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換裝置輸出功率小時(shí)，大多在晚上，只能使鋰離子電池向無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)充電電路被斷開，由太陽(yáng)能電池單獨(dú)為節(jié)點(diǎn)供電。采用該能量管理策略，用充滿電的鋰離子電池獨(dú)自為節(jié)點(diǎn)供電能夠維持?jǐn)?shù)天，這大大延長(zhǎng)了它的生命周期。

圖6 鋰離子電池兩端電壓隨時(shí)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(jìn)世界各個(gè)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(xiàng)目將能量收集方法、存儲(chǔ)方案、能量管理策略及低功耗措施相結(jié)合大大延長(zhǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)供電的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)功耗，這將是其研究的重要方向，也將對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的成長(zhǎng)起到一定的促進(jìn)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

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