無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的選擇

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的選擇無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的選擇摘要：摘要：為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量自給，根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行環(huán)境，結(jié)合能量采集技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)各種能量采集方式進(jìn)行分析比較，提出了能量采集和管理方案選擇的具體原則，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源方案的確定，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電源方案；能量采集Abstract：KeyWds：0引言引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被密集部署在監(jiān)測(cè)環(huán)境中，通常運(yùn)行在無(wú)人值守或

2、人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)環(huán)境中[1]，如何將周?chē)h(huán)境中的有效能源轉(zhuǎn)化為電能，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)路的能量自給是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。能量采集技術(shù)為這些關(guān)鍵問(wèn)題的解決提供了一種可行性方案。常見(jiàn)的能量采集技術(shù)有：振動(dòng)能量采集、熱能采集、太陽(yáng)能采集、射頻能采集等等。本文將從能量來(lái)源、適用范圍、成本及優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)各種能量采集技術(shù)進(jìn)行分析比較，并提出系統(tǒng)使用成本低性價(jià)比高的能量采集方案的具體原則，達(dá)到了延

3、長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命周期，的目的。1能量的采集和使用能量的采集和使用選圖1所示為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量采集與使用原理框圖。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從其所處的環(huán)境中收集各種可利用的能源，將其轉(zhuǎn)換為電能傳輸?shù)侥芰看鎯?chǔ)與管理模塊，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要電能時(shí)，將能量從能量存儲(chǔ)與管理模塊中取出，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的各個(gè)元器件處，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲(chǔ)器、射頻收發(fā)器等，供其工作所使用，保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源的需求，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期有效的供

4、電。構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，成為目前微型能量采集材料研究的熱點(diǎn)之一[2]。影響振動(dòng)能采集輸出電壓和能量的因素有：壓電材料和振動(dòng)頻率。采用壓電式振動(dòng)能采集設(shè)備具有體積小、綠色無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，而且壓電材料尺寸越小，壓電效率越高，如當(dāng)它們的厚度介于20納米至23納米之間時(shí)，其壓電效率提高了100%，但是成本就會(huì)越高；電量輸出和振動(dòng)頻率增加成線性關(guān)系，同振動(dòng)力的增加成指數(shù)關(guān)系[3]，因此，當(dāng)振動(dòng)微弱或振動(dòng)頻率不穩(wěn)定時(shí)就無(wú)法為傳感器網(wǎng)

5、絡(luò)提供足夠的電源。2.2太陽(yáng)能采集太陽(yáng)能是一種“取之不盡，用之不竭”既節(jié)能又環(huán)保的新能源，有著及其廣泛的來(lái)源；無(wú)地域的限制，無(wú)論是陸地、海洋、高山或島嶼，都處處皆有，可直接開(kāi)發(fā)利用，且無(wú)需開(kāi)采和運(yùn)輸。太陽(yáng)能采集就是將太陽(yáng)能或光能轉(zhuǎn)化為電能，將轉(zhuǎn)化后的電能供無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作使用的一種能量采集技術(shù)。此技術(shù)可以用于解決不可再生資源的枯竭，能源的緊缺，環(huán)境的污染等問(wèn)題。針對(duì)工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)以及商業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用推出了可將環(huán)境光轉(zhuǎn)換為電源的太陽(yáng)能

6、采集開(kāi)發(fā)套件，充分滿足了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)可替代能源的需求。尤其在光照充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)和危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)，開(kāi)發(fā)人員可以構(gòu)建基于太陽(yáng)能的自供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而無(wú)需定期花費(fèi)時(shí)間與金錢(qián)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和電池更換。通過(guò)將Cymbet的EnerChip技術(shù)與TI的MSP430微處理器和CC2500RF技術(shù)完美集成在一起，太陽(yáng)能采集器無(wú)論在強(qiáng)光還是弱光環(huán)境中都能實(shí)現(xiàn)更高效的能量存儲(chǔ)、能量處理及能量傳輸。EnOcean的太陽(yáng)能采集模塊采用了一種多晶

7、硅太陽(yáng)能電池。多晶硅電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率為11%～16%，無(wú)電力網(wǎng)地區(qū)的民用和工業(yè)用太陽(yáng)能板系統(tǒng)是人們很熟悉的裝置。另一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池是非晶硅電池，但它的效率只有多晶硅的一半（8%）。除了轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)以外，在陽(yáng)光直射下非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率每年還要衰減15%～35%。盡管有這些明顯的缺點(diǎn)，但非晶硅的應(yīng)用仍很普遍，因?yàn)樗鼈兊某杀疽榷嗑Ч璧鸵粋€(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)大批量消費(fèi)、低功耗電子來(lái)說(shuō)，是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。例如，一塊典型的55mm1

8、1mm多晶硅電池價(jià)格為3美元，而同樣一塊非晶硅電池只有不到25美分[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬于低功耗器件，非晶硅電池就可滿足其供電需求，這樣不但實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自給而且降低了系統(tǒng)成本。還可將太陽(yáng)能采集套件置于光照好的環(huán)境中，并增大光照面積，從而得到更多的電能。雖然太陽(yáng)能來(lái)源廣泛，但是太陽(yáng)能具有分散性和不穩(wěn)定性[5]。雖然到達(dá)地面的太陽(yáng)能總量很大，但是能流密度很低，甚至有些地方光照時(shí)間很短，因此，太陽(yáng)能采集器必須具有足夠的存儲(chǔ)