无线传感器网络能量收集技术分析

无线传感器网络能量搜集技术分析

1引言

作为全球未来十大技术之一日勺网络传感器技术已受到人们日勺广泛重视。将

成百上千的低成本、低功耗、多功能的微型传感器装置构成adhoc微传感

器节点，散布在一定内地理区域，协同工作，构成了一种无线传感器网络。

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一般

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抵达的地方完毕定位、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搜集、处理、分析、散播提供一种崭

新日勺信息通道，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、交通管埋、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日勺应用需求。

无线传感器网络节点一般是静止不动的，并也许处在野外恶劣环境中，不

容许更换电池，因此，无线传感器网络节点日勺能源管理问题是延长无线网

络传感器应用寿命和减少成本日勺关键，成为无线传感器网络日勺研究的关键

问题之一，波及到两个方面问题，即供能与耗能问题。因此，要处理无线

传感器网络节点日勺能源管理问题也必须从这两个方面进行深入细致日勺研究。

目前，在处理耗能问题方面研究较多，例如为了有效运用既有能量资源,

延长网络日勺生命周期，研究多种优化日勺路由通信协议等。像所有生物系统

不也许只通过无限地减少自身消耗不补充能量而可以长期维持系统正常状

态同样，无线传感器网络节点也不也许仅靠多种优化降耗日勺措施使得节点

长期正常工作下去，当多种措施使得能耗已经减少到一定程度后，人们再

努力也将得不到更好"勺效果。因此，我们必须从能量供应的角度进行研究，

采用有效的措施为无线网络传感器提供源源不停的能量供应。如同任何生

物系统都可以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，因此研究怎样从环境中有效地采集

和储存能源能量日勺搜集措施越来越受到研究者的重视。

2对能量搜集口勺规定

无线传感器网络一般由数量庞大的传感器节点构成，并散布于一定区域内,

一般采用电池提供能量。不过，由于受到节点体积的限制，所配置的电池

可以提供的能量是非常有限的。同步，由于传感器节点常常处在恶劣环境

或人员不能抵达日勺环境中，此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。因此，一种设计全面周到可以长期使用的传感器节点，

必须从截流和挖潜两方面采用有效措施，以改善节点的能源供应。所谓截

流，就是要采用多种节能机制尽量减少节点H勺能量消耗，延长节点和网络

日勺寿命。所谓挖潜，就是要采用多种措施为传感器节点补充能量。从一定

意义上讲，挖潜比截流更能从主线上处理问题。挖潜的措施就是要从传感

器节点所在的环境中获取一切可以运用FJ能源，即所谓啊能量搜集。

如图1所示为无线传感器网络节点日勺能量搜集与使用原理框图。能量搜集

与储存单元从节点所处的环境中搜集多种可资运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通过变换得到节点上所需使用

H勺总电源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H勺电源需求，实现长期有

效日勺供电。

根据传感器节点所处环境不一样，环境中可以搜集的能源也不相似，因此

单一能源的能量搜集措施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

能源日勺能量搜集措施，这就规定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也许的能源种类，尽量配置综合的能量搜集电源。

3能量搜集技术分析

在我们生活的物质空间里也许存在着多种潜在H勺可以运用H勺能源，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。怎

样在小小的传感器网络节点上搜集储存这些能源，是近年来许多科学家努

力研究日勺焦点问题之一，目前也获得了一定日勺进展。其中，运用机械振动

和光能的I能量搜集技术研究比较多，并有有关器件的产品出现，具有很好

日勺应用前景。

3.1振动能量日勺搜集

多种各样的原因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，振动加速度也许到达O.Q2g。

运用压电材料的压电效应可以搜集振动的能量。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搜集电路储

存起来，其原理如图3所示。

通过一.种直径4.6cm、高4.6cm的I振动能量搜集器搜集28Hz10()mg的I

环境振动，可以获得9.3mW的电量。研究表明，搜集滞日勺体积增长一倍

则搜集到日勺电量也增长一倍；搜集到日勺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搜集器日勺研究，

并获得了相称日勺进展，有关试验性产品已经推出。

3.2太阳（光）能的搜集

光电材料的新进展，使光能搜集成为无线网络传感器能量来源日勺另一种耗

之不竭的新措施，光电元件日勺安装和运行费用伴随大规模日勺应用也可大大

减少。

光电采集的基本原理是运用光电材料吸取大量日勺光子，假如光子足够多从

而能激活光电池中H勺电子，通过合适的构造设计，电子可被获取。光电元

件相称于解码器，在光的照射下产生电压，结合对应的调整和储存电路可

为负载实现供电。电量的多少是搜集的光能的函数，为获取较多的电量，

光电元件一般置于光照好的环境，并增大光照面积。一般的光电池可产生

电压DC0.5v,但实际电压输出随运行温度的不一样而变化，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是一种经典光电元

件电流、电压与光照、温度关系的I-V曲线。为了产生系统需要日勺电压，需

要将多种光电元件进行串行连接。

光电技术发展从最初日勺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，并受环境温度日勺影响减小，

非常适于为小型、远程的传感器提供电源。

3.3风能的搜集

环境中的风是无处不在的。运用随地可得而又未经开发的风能也是研究者

致力研究的课题，必须要处理技术难度和制导致本这两个难题。Arling-ton

德州大学使用成熟的压电和机械技术很好地处理了这两个难题。采用压电

器件制造出的这种小型发电机，可由8〜16km/h的风力驱动，能为无线

传感器网络节点提供5()mW日勺功率。发电机的桨叶连到凸轮上，使围绕轴

排成圆形的一串双压电晶片产生振荡。一种采用APC855陶瓷制造的双压电

晶片可输出0.935mW日勺功率，由11个压电晶片构成的单元可输出10.2

mWH勺功率。

3.4热电能H勺搜集

温差电技术研究始于20世纪40年代，于2011纪60年代到高峰，并成

功地在航天器上实现了长时发电。温差发电机具有体积小、重量轻、无振

动、无噪音、性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的特点，

适合用作不大于5W的小功率电源，用于多种无人监视口勺传感器、微小短

程通讯装置以及医学和生理学研究仪器。目前"有关产品已进入实用阶段。

近几年来，温差发电机在民用方面也体现出了良好的应用前景。

1942年，前苏联研制成功最早的温差发电机，发电效率只有1.5%〜2%,

目前开发的温差发电机，效率也普遍处在6%〜11%。通过对热电转换材料

日勺深入研究和新材料口勺开发，不停提高热电性能，争取在热源不变的状况

下提高电输出功率已成为温差电技术研究的关键内容。

德国科学家近来发明了一种运用人体温差产生电能的新型电池，可以给便

携式微型电子仪器提供长期的“动力”，免除了充电或更换电池的麻烦。只要

在人体皮肤与衣服等之间有5cH勺温差，就可以运用这种电池为一块一股日勺

腕表提供足够的能量，

3.5声能的搜集

人造银酸锂具有在高频高温下将声能转变为电能H勺特殊功能。当声波碰到

屏障时，声能会转化为电能。英国科技人员根据这一原理，设计制造了鼓

膜式接受器，将接受器与能汇集声能的共鸣器连接，当它把所搜集的噪声

输入声能变换器后，便可发出电来。据测定，当喷气式飞机口勺噪声到达16

0dB时，其发电功率可达100kWo

新型热声学发动机由一种长棒球棍状的共振器与一种椭圆形口勺容器构成，

没有把柄。发动机内盛有通过压缩的氨，当氨被加热时，就会产生声波,

形成声能，这种声能可以启动活塞，产生电力。常规的发动机受热力学及

发动机复杂性日勺限制，经典日勺、最有效的发动机是用于发电站的、巨大日勺

涡轮机。小型声能发动机比最大型的、最有效的涡轮机的效力还要大10%,

并且没有运转部件，不必维护。

3.6磁能的搜集

地球上无处不存在磁场，有磁就有能量。因此，磁能是一种取之不尽，用

之不竭的新能源。运用磁能开发日勺新型发动机由发电机和电动机组合而成,

能有效运用电磁能量和纯永磁体能量来驱动作功H勺机器。这种发动机工作

时不必外界补充能源，有独立H勺自循环再生系统，是永恒H勺不要花钱的纯

绿色动力能源。

4多种能源的能量综合搜集

我们生活的环境中存在大量的形式各样的能源。不一样的环境中能量存在

的形式也不尽相似。为了使每个传感器节点都尽量从所处的环境中获得所

需口勺能量，必须设计这样一种能量搜集系统，它不能只从某一种能源中搜

集能量，否则一旦所处环境中该种能源缺乏，那么该节点将不能长期可靠

地工作下去。因此，有必要将多种能量搜集措施集成在每个节点上。当然，

其困难是不难想象日勺，重要表目前如下几种方面：（1）多种能量回收技术与

措施目前还不成熟，还需要研究者进行大量日勺创新性研究；（2）多种能量搜

集组件必须满足传感器网络节点对尺寸日勺苛刻规定；（3）要保证多种能量搜

集组件可以协调一致地工作并将搜集到的能量有效地储存起来。

5结论

无线传感器网络正成为多种应用领域极富吸引力日勺处理方案，不过节点能

源问题一直困扰着设计者和使用者。