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

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ad hoc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。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、嵌入式系统、通信和电源等多项新技术。无线传感器网络节点通常

由传感器、通信电路和数据处理电路构成，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。

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。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。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。

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VCC，通过VCC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。

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，这就要求在有限空间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。

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。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。

3.1 振动能量的收集

各种各样的因素都会导致环境中产生振动，因此环境振动是普遍存在的，例如，用手在桌子上轻拍，桌子就产生振动，振动加速度可能达到0.02g。利用压电材料的压电效应可以收集振动的能量。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。

通过一个直径4.6 cm、高4.6 cm的振动能量收集器收集28 Hz 100 mg的环境振动，可以获得9.3 mW的电量。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DC0.5 V，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I-V曲线。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