无线传感器网络激光主动供能采集系统的研究

(黄冈职业技术学院 湖北黄冈　438002)

无线传感器网络,由无线通信以及负责检测任务的传感器节点组成,其作用主要是监控环境、侦查军事情报以及安全检测等。无线传感器网络的先进性比较高，其节点具有耗能低及成本低等特征，在数据处理、传感方面发展前景良好。

1　主动供能问题

无线传感器网络应用广，发展前景良好，因能源问题而使其发展受限。通常，无线传感器网络的能源是一次性电池供给，因此无线传感器网络会出现因电池电量不足而无法工作的情况，若想让其继续工作就要更换节点处的电池，然而无线传感器节点数量多、区域分布广、监测环境也比较复杂，显然更换电池耗资大且不容易实现。能量供给有限，传感器节点耗能限制了无线通信距离，保障通信距离要加大能量供给时间，进而无限传感器网络范围受到了限制。使得无线节点的存储器、处理器硬件资源有限。现阶段，无线传感器网络主要面临的问题是如何提高能源使用效率，让网络的通信能力、寿命以及硬件功能的价值发挥到最大。针对无线传感器节点能源问题，设计了无线传感器网络激光主动供能技术，该技术能将能量以光能形式传输到节点分布范围区，并转换单点激光为光场，给传感器节点供能，该技术具有无电磁辐射、方向性准确、抗干扰性强、能量密度高以及可靠性高等优点，且能够应用于强电磁、强电压等恶劣环境中。无线传感器网络激光主动供能技术不仅解决了极端环境下无线传感器能源的问题，还延长了其使用时间，让其满足于更多的工作需求。

无线传感器网络激光主动供能研究基本分为以下几点：一是激光波长的选择，即分析大气中激光传输的特性来选择适合的波长；二是根据光场特性和光学原理将单点激光转换为空间光场；三是基于太阳能电池的性能和激光的波长来确定太阳能电池的选择；四是综合上述研究后将这些利于无线传感器网络发展的策略融合在一起设计，确保激光主动供能的能量采集系统。

2　激光供能网络设计

激光的供能面积取决于激光的功率，即激光的功率提高其相对应的供能面积才能扩大，单个激光器的成本也会随着激光功率的提高而增加，通常功率比较大的激光器成本都比较高，这样一来系统成本也会随之加大。为解决成本问题，激光主动供能网络由多个激光器组成的，这不仅能让主动供能面积得到扩大还能降低总系统成本。图1为子网络的结构图，其供能光源为单独的一个激光器，众多子网络组成的便是激光供能网络，分束镜会将从供能点发射到这里的激光分光，分光后一部分激光会进入另外一个区域继续被分束器分光，另一部分则是通过光场转换器进行转换，为无线传感器提供能量。由此可见，供能子系统不仅可以让激光供能范围加大，还能提高其利用率。多个供能子网络组合成一个大的供能主网络，其供能范围和效率大大提高。

图1　供能子网络结构图

3　激光主动供能的能量采集系统设计

MPPT电路、放电控制电路、DC/DC变换电路、无线节点、充放电保护电路及太阳能换能器是激光主动供能采集系统的相关组成部分。图2显示的是激光主动供能采集系统的整体结构。该系统的换能器为太阳能电池，且其储能元件为单层存储结构，空间光由单点激光转换过来后，系统就可将其转换成电能。换能器是用太阳能电池，系统中设计专门的MPPT 电路，以追踪太阳能电池的最大功率，使储能元件充电时充电效率提高。在充放电时，储能元件会有过度放电和充电的问题，因此应设计针对性保护电路。正常运作中，储能元件会在放电控制电路的控制下放电，确保无限传感节点工作时间的能量充足。无线节点可以通过DC/DC 变换器获取转换之后的储能元件的能量进行运转。系统设计过程中，太阳能MPPT 电路也需要基于太阳能电池的性能以及空间光的能量密度来设计，才能有效地提高太阳能电池的充电效率。无线传感器网络的使用时间在很大程度上会受到储能元件的影响，对此可以选择具有等效串联电阻小、能量密度高、充放电次数无限以及漏电流小的超级电容，同时还能提高整体性能。DC/DC变换器的设计要基于无线传感节点工作时长和能耗来设计，充放电保护电路和放电控制电路的设计也要以电容的性能为依据。

图2　基于激光主动供能的能量采集系统

4　实验验证及分析

图3所示，无线传感器通过能量采集系统构成“格网通”，再以激光主动供能方式为基础，共同组成自供能传感器节点。

图3　自供能传感器节点实物图

图4为实验情况下设计的激光主动供能系统。实验过程中会尽量排除干扰，防止其他光线干扰实验数据，并且为了验证无线传感器节点在不同光场位置上是否都能获取能量工作，调整自供能节点的位置多次测试。

图4　激光主动供能系统实验图

图5的数据是实验情况下传感器节点所传输给电脑的温度、湿度数据。根据数据表明，约15分钟自供能传感器节点就可正常工作一次，将采集的数据发送到电脑，节点测得的一天的温度和相对湿度如图 5。曲线T代表温度，曲线RH代表相对湿度。实验环境下，15m是节点无线传输数据的最大距离。根据数据显示，无线节点可以通过能量管理电路在激光主动供能的情况下获取能量并且正常工作。

图5　节点测得温度与相对湿度数据

5　结　语

对自供能传感器节点的各部分分析，设计出自供能传感器节点结构。测试基于激光主动供能而转换的空间光场来进行，实验结果得到太阳能电池在不同光场情况下的输出情况。综上所述，无线传感器节点激光主动供能系统实验条件充足后进行的实验，以及获得的相对湿度和温度数据表明，无线传感器节点激光主动供能方式是可行的。

1Abed A.A, Ali A.A, Aslam N. Building an HMI and demo application of WSN-based industrial control systems[C]. 2010 1st International Conference on Energy, Power and Control (EPC-IQ 2010) Basrah, Iraq, 2010: 302-306.

2肖克辉, 肖德琴, 罗锡文. 基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统[J]. 农业工程学报，2010, 26(11): 170-175.

3周婵, 李昕. 工业无线传感器网络性能综合评价研究[J]. 计算机工程. 2010, 36(16): 82-84.