环境微能源收集技术及其在WSNs中的应用

中国电子科技集团公司第三十八研究所 梅灿华 牛 勤 苏志杰



环境微能源收集技术及其在WSNs中的应用

中国电子科技集团公司第三十八研究所 梅灿华 牛 勤 苏志杰

【摘要】微能源收集技术从外界提取环境能量，并将它转换为电能供低功耗传感器等应用使用，运用收集到的能量可以帮助传感器节点摆脱对于电池寿命的依赖。本文介绍了可以用于传感器节点供电的潜在的微能量来源，阐述了微能源收集技术的发展状况，分析了其在WSNs中应用的研究现状、技术限制及应用前景。

【关键词】微能源收集；WSNs；超低功耗

微能源收集技术能够将许多日常微能源（如光、温差、无线电波、振动等）巧妙地转化为可用能量，延长能量受限网络的使用寿命，进而得到广泛关注。作为能量受限网络之一，无线传感器网络（WSNs）的供电主要以电池供电为主，然而电池所携带的能量有限，不能满足传感器节点长时间工作的需要，尤其是当替换或维护电池不方便或危险的时候。随着近年来超低功耗芯片及相关元器件技术的进步，收集环境微能量为传感器节点供电成为可能。将微能源收集技术应用到无线传感器网络的具体应用环境当中实现传感器节点的自供能或半自供能工作已经是当今物联网技术发展中的一个热门方向和研究热点。

1　引言

无线传感器网络从系统组成上看，单个传感器节点主要由信息采集单元（传感器）、数据处理单元（MCU）、无线收发单元（RF）以及小型电池构成，尺寸通常很小，具有成本低、超低功耗、多功能等特点；从功能上看，它借助于节点中的传感器实时探测一定范围内的温度、湿度、磁场、压力等环境参数，并通过无线网络将获取的有价值信息传送到任务管理节点进行处理、分析和转发。在交通运输基础设施、汽车和航空电子设备、远程测量、工业过程控制、楼宇自动化等多种多样的应用中，无线传感器网络正在使得多种终端、自主无线监测及监视的控制系统得以实现。一个典型的无线传感器网络节点布局如图1所示：

图1　无线传感器网络示意图

为分布式布置的传感器节点所所配置的电池容量通常是是十分有限的，为了扩大监测的范围，一些传感器会布置在人迹罕至或人很难到达的地方，例如飞机发动机上，高大钢结构上等处，更换电池或者获取常规能源基本不可能或成本极高，这些都是微能源收集技术极佳的应用场景。利用收集到的环境微能源相比于电池等还具有更高的安全性和可用性、更高的能效及灵活性等。因此，设计自供电的无线传感器节点，对于节点有效完成信息采集任务具有非常重要的意义。本文将介绍环境中常见的几种可以用于给传感器节点供电的微能量来源及其收集技术的进展，探讨能量收集技术的应用前景。

2　常见环境微能源

2.1光能

光是目前为止人类已知的最清洁的能源，取之不尽，用之不竭，并且该技术的发展最为成熟，在光线充足的地方比较适合用于给传感器供电。

利用光伏效应能直接将光能转化为电能，中午地表太阳直射下太阳能电池能够获得约几百mW/cm2的功率密度［1］，室内光线条件下其功率密度远低于室外，在桌面上的光线可提供约几百μW/ cm2的功率密度［1］。其不足之处在于易受天气影响，只能间歇供电，为提高实用性，需要提升其可用时的利用效率。

2.2温差能

在有热源的情况下，一个紧凑型热电器件可以将小的温差转换成电能。一个热电器件的核心组件是热电偶，利用Seeback效应将温差转化成电功率。采用热电偶收集温差能时，为了获取更高的电动势，常常串联多个热电偶形成热电堆。这样可形成大约几十mW/cm2的功率密度［2］，足以让目前一些功率消耗已经达到mW级的超低功耗MCU工作，并且在热源稳定的情况下可以为传感器节点持续供电。其应用场景如为飞机发动机上监视发动机状态的传感器节点收集利用温差能，为一些可穿戴设备收集利用人体表面和外界的温差能等。但温差能的收集也存在供电效率低，热电组件寿命短等问题。

2.3射频

以手机信号为代表的无线通信飞速发展的今天，环境射频能量无处不在，这些射频能量来源包括广播电视发射塔、无线电台、雷达、Wifi、3G及GSM基站，虽然这些射频信号的能量都很低，但在合适的距离经过一定的调制、整流也可以用来给超低功耗控制电路供电，甚至在某些应用场景中可以采用专用发射机来对信号强度进行控制。Intel labs的实验人员据报道从电视信号塔附近收集到了大约60μW的功率［3］，拓宽射频能量收集天线的工作频带与增加接收面积可以提高所收集的功率。使用射频能量作为微能量来源的一个优势就是不受时间限制，不需要暴露于高温或有风的环境，可以在一定范围内自由布置，并且按照目前的趋势，环境中的射频信号只会越来越多。

3　能量收集系统

能量收集型传感器节点本质上是一种自含式系统，其包含的基本元素包括某种类型的换能器，以将环境微能源转换成电信号，环境微能源有可能是光能、温差能、射频亦或是人体运动时产生的微弱能量等，换能器后面通常跟随的是整流器或DC-DC转换器以及电源管理模块，以产生合适的电压和电流给下游电子组件供电。温差能收集器和光伏电池产生不稳定的直流输出，射频以及振动等则相反的产生一个交流输出。电源管理模块对不同的电信号实现整流或DC-DC转换，稳压输出等功能。由于能量收集采集到的经常是微弱、不稳定的可用功率量级，因而常采用能量收集系统与一个储能装置（一个电池或一个超级电容）相连的混合结构。储能装置在传感器节点工作的时候供电，而在除此之外的其他情况下则持续从收集器接收电能。

DC-DC转换器传统上都选择boost电路。大多数的DC-DC转换器都会使用外置的电感器以提高转换效率，但由于大值的电感器不能被整体集成，所以带集成电感的boost电路通常效率不高。电荷泵［4］利用内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容的充放电从而使得输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需电压，由于只需外接陶瓷电容，布板体积相对较小，并对微弱能量可以获得一个足够的转换效率。

能量收集系统必须提供足以提供能量管理模块所需的工作电流，然后多余的功率才可提供给负载应用。由于环境中可采集的功率密度特定时间内是一定的，因此收集的效率非常的重要。首先，是系统应该具备一个合适的占空比［4］，即系统的工作时间和休眠时间之比。因为多数场合下传感器节点监测的物理量不会经常变化，所以可以不用长时间连续测量，也不需要经常发送数据，因此传感器节点是以非常低的占空比工作的。相应地，平均功率需求也很小。如果一个传感器节点工作时需要3.3V/3mA （10mW），但是每10s仅有10ms时间在工作，那么所需平均功率仅为0.01mW，假定在传送突发的间隔期间不工作时，传感器系统电流降至数μA；其次，由于获取的电压及电流的非线性，每一种能量收集系统都有其工作输出的最大功率点，引入最大频率点跟踪的方法让其工作在最大功率点附近就可以最大限度的采集环境中的微能源，以帮助用户最优化的从收集器中提取出可用能量［5］。

4　结语

近年来，随着超低功耗IC技术的进步，微能源收集技术的实际运用在可行性上取得突破，越来越多的机构开始在能量收集芯片、系统和可充电电池上进行投入，以便能够在整个产品生命周期中持续使用。本文介绍了可以用于WSNs的潜在的微能量来源，根据其特点及投入运用的可能性讨论了其研究现状、实现方法、技术限制等，展望了其在未来的应用前景。作为一种清洁、灵活的供电方式，能量收集具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］R.J.M.Vullers.Micropower energy harvesting.Solid-State Electro nics.53（2009）684-693.

［2］GAO Yong-feng.A Miniature Composite Energy Harvesting System for Wireless Sensor Nodes.058（2012）327-331.

［3］Gaurav Singh.A tuned rectifier for RF energy harvesting from ambient radiations.Int.J.Electron.Commun.（AEÜ）67（2013）564-569.

［4］Weiyin Wang.A high-efficiency full-wave CMOS rectifying charge pump for RF energy harvesting applications.Microelectronics Journal 46（2015）1447-1452.

［5］Nathan Bourgoine，从单片光伏电池收集能量［J］.今日电子，2011，6（44-46）.

作者简介：

梅灿华（1988— ），安徽合肥人，工程师，研究方向：物联网技术与无线传感器网络。

ABSTRACT：Energy collection can extract environmental micro energy，and convert it to electrical energy for low power sensors consumption and other applications.This energy collected can help sensor nodes get rid of dependence on battery life. This paper introduces the potential micro energy sources which can be used for the power supply of sensor nodes，describes the development of micro energy collection technology，and the present research situation，technical limitation and application prospect of WSNs are analyzed.

Key Words：micro energy collection；WSNs；Ultra low power consumption