无线传感器网络WSN供能研究背景及意义.doc

无线传感器网络WSN能量补充研究的简单介绍20世纪90年代以来具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络Wireless Sensor Network（WSN）开始在世界范围内出现引起了人们的极大关注。 WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息并对这些信息进行处理可以使人们在任何时间、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的信息。从硬件上看WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及能量单元组成通常尺寸很小具有低成本、低功耗、多功能等特点从软件上看它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。 无线传感网络是由低成本、密集型、随机分布的节点组成的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点损坏而导致整个系统的崩溃无线连接使其部署几乎不受监测对象的影响维护成本非常低。因此这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、智能家居、制造业等领域。如可以利用无线传感网络及时准确地侦察和探测核、生物和化学攻击避免侦查人员直接暴露在危险的环境中从而最大可能地减小伤亡。 无线传感网络的巨大应用价值引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时将无线传感器网络WSN列为第一项未来新兴技术商业周刊预测的未来四大新技术中无线传感器网络也列入其中。可以预计无线传感器网络的广泛是一种必然趋势它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 我国政府非常重视无线传感网络的研究。在我国国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年中传感器网络及智能信息处理被列为信息产业的优先主题智能感知和自组织网络则被列为信息技术的前沿技术13。2006年科技部又将无线传感网络的基础理论及关键技术研究列入国家重点基础研究发展计划“973”计划。在信息产业部公布的信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要中明确将无线传感等技术列为我国“十一五”期间重点建设突破的领域能够形成一批具有自主知识产权的核心技术和创新产品基本满足国内应用对技术与产品需求形成较为完整的产业链。 虽然无线传感器网络的应用前景十分美好但是电能供给方式却成为制约其发展的一大问题。一般情况下采用电池对各种微型器件供电但传统电池具有一些无法改变的供能缺陷：体积大质量大供能寿命有限能量耗尽需重复充电。但事实上在很多无线传感器网络中，使用和替换电池，即便是长寿命型的电池，也是不切实际的。因为传感器节点常被安装在不可回收的位置，此外，更换数以百计电池的工作量和成本也是不可承受的。随着网络分布的广泛微器件数目越来越庞大并且由于有些微器件的工作位置难以再触及比如人体内战场动物群体电池更换变得极为不便甚至于不可能尽管传统电池在储能密度和使用寿命不断提高传感器的能耗也在通过各种节能技术和算法降低但都只能延长无线传感器的使用寿命而不能根本解决问题。可见采用传统供电方式对于无线网络而言是既不经济也不现实的。由于这些限制，系统的设计师和工程师们正在寻找一种可供选择的长寿命的能量投递方法运用到无线传感器网络中去。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。在小小的传感器网络节点上收集储存这些能源就能从根本上解决无线传感器的能量供给问题是近年来许多科学家努力研究的焦点问题之一。这里简单介绍利用太阳能、机械振动能、电磁场能三种方式为传感器进行供能。1太阳能供电无线传感器太阳能供电系统设计的关键问题是通过太阳能电池板对锂电池进行充电，同时需要实时检测充电电压和充电电流，避免因过充而导致锂电池永久性损坏;此外还需要设计锂电池放电保护电路，对放电电压进行实时监测，防止过放电导致锂电池损坏。太阳能供电系统主要由太阳能电池板、可充电锂电池、充电控制器和放电保护电路组成。由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。本文提出了一种基于太阳能的ZigBee无线传感器网络节点供电系统设计。该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，以达到延长锂电池寿命的目的。此外由于ZigBee无线传感器网络节点所需电压为3.3 V，而锂电池的工作电压一般在3.64.2 V(正常放电电压为3.7 V，充满电时的电压为4.2 V)，所以需要DC-DC转换芯片产生所需要的工作电压。对于ZigBee无线传感器网络节点而言，首先要考虑的是低功耗。这里选用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007协议的SOC芯片CC2530，其工作电压是3.3 V。综合考虑上述因素，提出如图1所示的太阳能供电系统总体示意图。该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电管理电路被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充;由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要放电保护电路对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，所以必须提高电源的转换效率。太阳能发电系统各个单元电路的设计主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式实现。系统设计的思路是：首先估算系统总功耗，然后选择合适的锂电池，进而根据锂电池的容量来选择所需的太阳能电池板;根据太阳能电池板和锂电池的充电电压、充电电流等参数，可以选择合适的充电管理IC来设计充电控制电路;最后根据锂电池输出电压和ZigBee无线传感器网络节点所需的工作电压来设计合适的DC-DC变换电路。电源的设计优劣关乎系统设计的成败，以ZigBee网络节点太阳能供电系统为例，通过充电控制电路和放电保护电路来实现对锂电池充放电的保护功能，延长锂电池的使用寿命，非常适合于野外布置的ZigBee无线传感器网络节点使用。2 振动自供能无线传感器 振动能量采集器受到无线传感器周围环境振动的激励时，将振动能转化为电能，采集器的电输出信号经过能量存储电路的存储和电源管理电路的调理后，为无线传感器提供电源，原理如图1所示。在无线传感器硬件系统中，温湿度传感器作为传感单元，负责监测区域内的温度和湿度信息的采集;微处理器作为处理单元，负责控制整个传感节点的操作，实现温湿度数据的存储、融合以及转发；通信芯片作为通信单元，负责将微处理器处理后的温湿度信息无线传输到其他温湿度传感器节点或服务器和用户。 振动能量采集器由磁路、悬臂梁、磁电换能器等部分组成，如图2(a)所示。固定在悬臂梁前端的磁路由4个钕铁硼磁铁和2个磁轭组成，在空气隙中可形成非均匀磁场，并起质量块的作用。磁电换能器(MPM磁电换能器)由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D构成。当采集器随环境振动时，磁路和换能器产生相对运动。由于空气隙中的磁场是非均匀的，磁电换能器将感应到变化的磁场，在变化磁场的作用下，磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层，产生电输出，实现机械能到电能的转换。3电磁波供电无线传感器这里研究了一种环境电波能源获取技术，提出了收集环境中杂散电磁波对无线传感器节点进行供电的一种新方案。空间环境中广播电视塔、无线通讯设备、移动基站等几乎全天候辐射电磁波，因此环境电磁波能源有较好的空间分布性和稳定来源，特别是广播电视塔、移动基站等，辐射功率较大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto尝试收集电视信号能量给WSN供电，在距东京电视塔4 km处收集到1520W的能量，并在为期7天的测试中证明了电视信号能量的稳定性。DBouchouicha测试了城市环境中06836 GHz之间的频谱图，并利用螺旋天线在一个WiFi基站附近收集到200 mV的输出电压。 3.1 环境电磁波能量收集方案3.1.1 环境电磁波频谱能量测量分析 环境中充满各种频段的电磁波，如数百kHz的AM广播信号，几十MHz的FM广播信号，数百MHz的TV信号，约900 MHz和1 800 MHz的GSM信号，24 GHz的ISM信号等，能量收集的第一步就是分析测量空间电磁波的分布情况，选择其中空间辐射场强较大的波段进行接收，从而提取较大的稳定能量。以所处环境为例，测试了天线架设处的环境电磁波频谱能量分布图，结果如图1所示。图中反映出有几个峰值点。对功率较大的AM频段进一步测试，结果如图2所示，可以选取能量最大的频段为能量获取信号源，如810 kHz的AM电波，测试点距中波发射台8km，发射功率10 kW。3.1.2 电磁波能量收集方案 设计的电磁波能量收集方案如图3所示。首先通过天线和谐振电路获取信号，其次通过倍压整流电路对信号放大和能量转换，再通过电源管理电路将能量供给微功耗节点执行通信等任务。搜集天线需要高增益、等效接收面积大、较宽的频带，传统天线形式难以适应。拟收集的810 kHz AM电波波长为370 m，为与接收波长相比拟，天线最佳接收长度需达到数百米，实现困难。文中采用了接地的L型天线，长度为10 m，距地2 m，在天线末端加可调电感将天线调谐到最佳接收频率，得到最大输出功率。10 m虽然未达到最佳接收长度，但通过调谐，最大输出功率可达85W。该天线的不足是必须接地，但实际研究发现，一些不接地的导体也可以当作天线，只要面积足够大，例如铁柜、铝合金窗、楼顶水箱等。 为使接受到的信号能量驱动传感器节点工作必须进行整流放大。天线接受的电能在VmV量级，对后续整流、升压、储能及电源管理都提出了挑战。其中电路中的开关、整流器等自身的损耗不可避免。 采用倍压电路将电压放大。倍压电路级数增加可以增大输出电压，但电流却相应减小，此外，随着级数增