无线传感网络能量收集策略的研究

 引 言

随着科学技术的不断发展，无线传感网络作为未来改变人们生活以及环境的重要技术，正受到越来越多科学研究者的关注。无线传感网络具有低功耗、易传输等特点，通过自组织方式构成 Ad hoc 微型传感网络。微型传感网络通常是微型嵌入式系统，其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电[1]。传感网络通常由传感器、通信电路、嵌入式计算机技术、电源技术和数据处理电路等组成 [2]，可以在任何时候、任何地点进行数据的采集、分析和处理，是较为便捷的获取信息的途径。对于处于信息时代的我们，它可以为我们提供便捷、实时的信息，也可以应用在荒漠、高楼以及危险的战场和人们不太容易接触的地方，完成定位、测量和处理控制等任务，同时它也在工业、电子消费、国防安全、智能交通、智慧农业、智能医疗、航空探索等领域有着举足轻重的作用和广泛的市场需求，为我们的生活带来翻天覆地的变化。

由于无线传感网络均为大规模静态布置，且处于环境恶劣、危险的场景中，这种场景下难以对节点进行充电或者更换，而能量又是制约无线传感网络性能的重要约束，如果能对传感网络节点周围的能量进行捕捉利用，例如收集周围能量为传感网络节点补充能量，则可以延长传感器网络生命周期。通过研究通信协议、能量收集技术为传感器节点供能， 大幅提升无线传感网络的工作寿命。

本文主要从几个方面论述能量收集的关键技术，并详细论述能量收集对于无线传感网络工作的重要性。能量收集（Energy Harvesting）主要利用外部能源进行能量供给， 可以直接作为传感器节点电源，也可作为辅助电源为电池供电。

1 系统模型及技术分析

无线传感网络由成千上万个传感器节点构成，广泛分布于不同区域，如荒无人烟的沙漠、危险的战场、大规模高低不同的建筑物等，通常由能量有限的电池供电。受传感器节点自身体积限制，当能量消耗殆尽时，更换电池的工作较为繁琐，而传感器节点数量繁多，无法及时为每一个节点进行能量补充。因此，设计长久的可持续利用的传感器节点就成为当下需要解决的重要问题，用有效的能量回收机制为传感器节点长久工作奠定坚实基础。

当前较大规模应用的能量收集（Energy Harvesting） 技术包括射频能量收集（RF Energy Harvesting）、 太阳能 能 量 收 集（Solar Energy Harvesting）、 振 动 能 量 收 集（Vibration Energy Harvesting）、热电能能量收集（HotEnergy Harvesting）、声能能量收集（Acoustic Energy Harvesting）、风能能量收集（Wind Energy Harvesting），他们的特点是将外部能量转化为电能为自身供电。能量收集的等效模型如图 1 所示。

图 1 能量收集模型

2 能量收集技术

2.1 射频能量收集

射频能量收集（RF Energy Harvesting）主要包括整流天线、能量管理模块、负载和超级电容存储等，其电路模型如图 2 所示。

在当今无线设备普及的社会中，射频电磁波普遍存在于周围环境中，图 3 所示为环境中平均射频能量的密度分布。从图中可以看出射频能量主要分布在 900 MHz，1.9 MHz，MHz，2.45 MHz 和 2.6MHz[3] 。

在文献 [4] 的电路改进中，最终输入信号的最小幅值为300 mV，最大转换效率为 37%，DC 输出电压超 1 V。实验研究表明，天线是制约能量收集的主要因素。天线是用来接收或者发射电磁波的器件，连通自由空间和导波物质，主要分为孔径型天线、天线阵列、棱镜型天线、线型天线、微带天线、反射型天线 [5]。其中微带天线具有体积小、成本低、容易集成、易实现双极化以及双频段等优点，备受科研工者的青睐，在民用和军事方面都有着广泛的使用。

2.2 太阳能能量收集

太阳能能量收集主要包括两个方面。一种主要通过光热收集，通过太阳光照射转换成相应的热能，其典型应用为太阳能热水器，使用广泛 ；另一种通过光电转化技术进行能量收集，因其无污染等特点被广泛应用。

通常用光伏电池将太阳能转化为电能。光伏材料主要分为两类，分别为硅晶太阳能电池和非硅晶太阳能电池。当太阳照射到光伏电池表面时，大部分光线在内部聚集，太阳辐射激发半导体中的载流子漂移，不同元素的硅元素在此作用下形成带电动势的空穴 [6]，在电场作用下，负电荷被吸引到 N 区，正电荷被吸引到 P 区，由此产生了电势差，形成电压源。

把太阳能板看成电压源，文献 [7]中给出了太阳能能量收集的等效模型，如图 4所示。文献 [8]的研究表明，在每天 3～4h的阳光照射下，可保证节点以 10%的工作占空比持续工作约 4 ～5 年（电池一般寿命为 4 ～5 年，如果充电电池仍可使用，则工作时间更长），极大地延长了传感器网络节点的使用寿命。

2.3 振动能量收集

振动能量收集主要将物体振动所产生的机械能转化为电能，主要分为磁式振动能量收集、压电式振动能量收集、静电式振动能量收集、磁致伸缩式振动能量收集和复合式振动能量收集 [9]。根据文献 [10] 的压电振动研究可知，在外激励频率与压电悬梁臂频率接近时，能量收集装置的电压峰值达到 73 V/N。在外接电阻达到 1 MΩ 时，能量收集装置达到峰值，不再变化。

压电能量收集装置通过悬梁臂放置压电材料，基座装置固定，在悬梁臂另一端放置有质量的块装置或者能产生振动的装置，通过振动使压电材料产生形变，再经形变将机械能转化为电能。

电磁式能量收集技术主要分为两类，即直线共振型与非平衡转动型 [11]。其中直线共振能量收集利用振动使线圈与磁体产生相对位移从而产生电能，其装置相对较为简单。非平衡转动型能量收集装置利用永磁铁或线圈摆位移产生电能， 其装置相对复杂。

静电式能量收集技术主要通过静电效应将机械能转化为电能。当静电收集装置工作时，需要可变电容来存储电能， 再通过施加外部电源激励使可变电容产生压差，当机械振动产生时，可变电容点位将发生变化，进而使机械能转化为电能。

2.4 热电能能量收集

热电能能量收集主要基于贝塞克效应[12]。贝塞克效应图如图 5 所示，在两个不同的导体或者导电率不同的半导体a， b 构成的回路中，两个连接点（节点 1、节点 2）若存在温差ΔT=T -T ，就会产生感应电动势，这时回路中有电流流过 [12]。利用温差发电器（Thermal Electric Generator，TEG）将热能转化为电能。

图 5 贝塞克效应图

在文献 [13] 的研究中，利用以 LTC3109 为核心构成电源管理模块而设计的热电能量收集电路通过热电片收集环境余热，其输出电压为 3.3 V。

2.5 风能能量收集

环境中的风能无处不在。通常对于收集装置的研究是科研人员较为关心的话题，因此研究和制作装置成为科研人员急需解决的问题。微型化风能收集装置并不常见，对于微型化的收集装置有便携带、体积小、易于集成等要求[14]。2009 年， 西安机电研究所在谐振腔结构收集风能的改进研究过程中证明在 300 m/s 的高风速作用下输出电压可达 39.5 V，其输出功率为 1.4 W，能满足引信用电需求 [15]。

2.6 声能能量收集

声波作为生活中常见的能量形式，无处不在。根据能量收集原理的不同，声能收集可分为压电式、静电式、电磁式。文献 [16] 中设计的用于收集声波能量的摩擦纳米发动机的原理便是利用声音产生振动，从而实现声波能量的收集。该收集装置在声波作用下的最大电压和电流分别为 232 V 和2.1 mA。

国内的研究大多基于压电材料进行声能收集，其原理如图 6所示。在正弦波声场中，当声波频率达到 907Hz的谐振频率时，压电陶瓷的开路输出电压可达 4.6V，在 110dB声场中，负载达到 11.2 kΩ 时，输出功率可达 60.4 μW[17]。

3 结 语

无线传感网络的能量解决策略一直为众多科研者所关注，通过有效的能量管理策略以及合理的能量收集可大大提升传感器网络的寿命。本文首先对无线传感网络在能量损耗方面以及更换电源所面临的问题进行了全面分析，对当前无线传感网络能量收集方面的不足和对于能量损耗所带来的问题进行了阐述，并从各方面叙述了能量收集技术，分析了我们当前环境中可以获取的能量并对一些特定方法进行了概括。当前能量收集方式还存在很多不足，仍需要广大科研者的不懈努力。希望在对能量收集及有效利用有一个清晰认识的基础上，能够对能量消耗问题有更清晰的了解，从而解决能量损耗问题。