黎明曦, 孙玉绘, 朱 静, 袁宏伟(1.传感技术联合国家重点实验室,上海 00050; .解放军陆军军官学院 军事测绘教研室,安徽 合肥 30031)
·仪器设备研制与开发·
基于压力能量采集的无源标签节点设计
黎明曦1,2, 孙玉绘2, 朱 静2, 袁宏伟2
(1.传感技术联合国家重点实验室,上海 200050; 2.解放军陆军军官学院 军事测绘教研室,安徽 合肥 230031)
无线传感器网络(WSNs)是无线网络的主要形式之一,广泛用于环境数据的感知监测及相关应用。节点能耗控制一直是影响WSNs发展的关键因素,现有对于无源节点的研究多基于在现有节点上加装能量采集模块为其供电。由于没有改变节点的运行机制,因此存在实现成本高、可靠性差等缺点。本文提出了一种无源标签节点的设计方案,通过采用转换外部压力能供电,使其同时具备了传感器节点的运算处理能力和RFID标签的无源工作特性。实验结果证明,设计的无源标签节点可以将瞬时压力转化成电能并完成采样、计算、存储等工作。
无源标签节点; 压力薄膜; 能量采集
传感器节点的能量供应是影响无线传感器网络(WSNs)应用和发展的重要因素之一。现有的传感器节点多是采用携带电源的方式实现节点的能量供应。但是,由于节点体积和制造工艺的限制,现有的节点能源可维持的传感器网络生存期十分有限,而研究多着眼于对节点运行机制的优化设计,以达到在一定程度上节约能量消耗提高网络运行生存期的目的。
随着微电子技术、无线射频技术和自然能采集技术的发展,从自然界获得能量已经成为可能[1-2]。常见的可用自然能资源包括太阳能,无线能源,风能,地热等[3]。对于传感器节点来说,无线电能源和太阳能是现在研究比较成熟和应用较广的两种能量获取手段[4-5]。自然能获取技术使得传感器节点的工作不再受到能量供应的限制,通过在传感器节点上装载适合应用环境自然能采集模块可以保证节点工作所需的能量,使得无线传感器网络真正具备长时无人值守运行的能力。另一方面,用能源采集模块替代传统节点电源也使得节点的体积更小、重量更轻,且成本更低。通过结合传感器节点和RFID标签的特点构造具备计算和存储功能的传感器标签节点,可以使得传感器网络的构造和通信更加灵活[6-8]。
传统的RFID射频标签只具备简单的数据存储能力,不具备计算能力和处理能力[9-10]。而其接收和存储数据的能源主要依靠采集接收到的Reader发送的无线电信号能源。Davids等提出可以使用Reader无线通信信号中的射频能量供应低能耗节点的短时间运行[11],考虑到传感器节点的工作符合短时间运行,长时间休眠的特点,这种能量获取和供应模式完全可能运用在传感器节点上。随后,他们设计了一种可以使用无线射频能量作为唯一能量来源的传感器标签节点:WISP,并在许多领域进行了广泛的应用[12-15]。之所以把WISP称为传感器标签节点是因为它具备一般传感器节点的感知/处理和计算能力,但是却采用RFID标签的能量供应和通信模式。
WISP的研发提出了一种全新的传感器节点设计方法和运行机制。但是Reader的通信距离和点对点星型网络的特点制约了WISP节点的应用。Vincent Liu提出了一种可采集TV射频信号和蜂窝式数字网络信号能量的节点[16],这种节点的结构和WISP类似,但是采用了更加精巧的天线和能量转换模块设计[17-20]。Vincent Liu对其性能进行了评估,实验结果表明这种节点可以正常工作在各种TV射频信号和蜂窝式数据网络的环境中。
这两种无源传感器标签节点的设计都将无线电信号作为主要的能源供应来源。但是这种能源供应机制仍然存在缺陷:首先WISP中使用的能源获取机制决定了该节点的运行为被动开启,即由使用者通过Reader照射以启动节点任务,这样的工作形式在许多无线传感器网络的无人值守区域监控应用中并不适用(这一类应用需要节点具备根据外界扰动自主激活运行的能力);在AMB 节点的使用中,TV射频信号和蜂窝式无线射频信号是节点能量的来源,Vincent Liu也提到,节点在靠近发射基站时能正常工作,但是当节点远离发射基站或者工作在无线射频信号覆盖不好的区域,则其可靠性就大打折扣。为了解决这个问题,我们打算引入其他的自然能获取方式,以期获得更好的效果。
压力传感器作为一种常见的传感器设备,主要用于获取由于外界影响所造成的局部压力变化,被广泛应用于各个领域[21-22]。国内外对于压电传感器及其应用研究较多,且已有成熟的应用产品,例如车辆超速测量、闯红灯检测等[23-25]。
2.1 需求分析
无源标签节点设计的关键在于对能量采集模块的设计。在常见的传感器应用中往往是对于环境中特殊的冲击型能量扰动进行探测,而这些扰动可以产生足够的能量以完成低功耗微处理器的工作。现已应用的基于压电薄膜的交通测速系统示意图如图1所示。
图1 基于压电薄膜的交通测速系统
6 其中压电薄膜一般不产生数据,只是当有车辆通过时(碾压时产生的冲击能量信号)才进行信号采集并返回数据。图2是对交通用压电薄膜的冲击实验(脚踩)结果。
图2 压电薄膜冲击实验结果
根据初期的实验可知,以压电薄膜探测的外界压力变化情况为例,传感器在实际应用中可由外界能量扰动中获取客观的能量,结合WISP节点和AMB节点的能量获取机制,可以将节点需要探测的外界扰动信号作为能量的来源,完全适用于基于事件驱动的无线传感器网络运行模式。由此可见,对于标签节点的设计应解决:① 尽量降低工作能耗;② 采用合适的能量采集压电传感器;③ 可靠的蓄能稳压模块。
2.2 标签节点设计
考虑到标签节点的无源特性,其对能量消耗的要求较高。因此,设计时选用了具备超低工作功耗的MSP430芯片系列中的MSP430F2132,其工作电压最低位1.8 V,休眠模式电流仅为0.1 μA,如图3所示。
图3 MSP430超低功耗微处理器
为了能提供给标签节点足够的能量,需要选用合适的压电薄膜将外部压力转换成冲击电信号,以提供给后续蓄能稳压模块足够的能量。本文中为验证标签节点设计的通用性,采用了常见的MEAS压电薄膜作为功能模块,如图4所示。由此可得压电传感标签节点结构图,如图5所示。
图4 实验节点和MEAS压电薄膜
图5 压电传感标签节点结构图
其中射频电路采用与WISP节点相同的UHF射频通信模块,用以实现与Reader的通信。压电薄膜感应到外界有压力变化时,将产生一个冲击电信号,通过对该冲击电信号进行处理可得出一个微小时段内的稳定电压。在这个微小时段内,低功耗的MSP430处理器被激活,并完成若干次采样工作,将采样所得数据写入存储模块,随后能量耗尽,标签节点进入休眠状态(实际上是完全停止工作,等待下一次激活)。
实验设备是与解放军理工大学合作研制的被动标签节点数据采集实验套件,如图6所示。
图6 被动标签节点数据采集实验平台
从图2的实验结果可以看出,在挤压MEAS压电薄膜时,瞬时最高电压可达20 V以上,持续时间一般在5 ms左右,可以支持超低功耗MSP430芯片完成若干个周期的计算,在该时间段内足以完成少量计算工作和数据读写操作。通过设计合适的压电拾能器,即可实现对冲击电信号的调整,文中压电拾能器采用LINEAR公司的压电能量采集芯片LTC3588-1,并搭建匹配外围电路,如图4所示。其结构如图7所示。
在随后的实验中使用直流电源模拟压电薄膜的输出电压,如图8中通道1所示,该电压信号经过拾能器处理后,得到通道2所示波形。通道2的电压信号足够驱动传感器进行环境数据采集工作。
图8 压电拾能器能量采集结果
本文将压力能量作为节点工作的功能方式,解决了传感器网络节点的能量供应瓶颈,使得传感器节点具备RFID标签的被动通信特点,从而使得其真正具备长时间值守的能力。同时,克服RFID标签无法进行持续时间段数据采集的弱点,使得标签节点具备中长距通信能力,数据持续采集存储能力和一定的计算处理能力。实验结果表明,文中设计的标签节点可以正常工作,其供能机制可广泛应用于现有的无线传感器网络系统中,使其具备真正的无人干预,长期值守的能力。
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Full Passive Tag Node Based on the Energy Collection Mechanism of the Pressure
LIMing-xi1, 2,SUNYu-hui2,ZHUJing2,YUANHong-wei2
(1. State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai 200050, China; 2. The Department of Military Surveying and Mapping Engineering, Army Officer Academy of P.L.A, Hefei 230031, China)
The wireless sensor network (WSN), as a major form of wireless networks, is widely used in many applications such as the monitoring of environmental data. In order that the energy control mechanism is a main factor in the development of WSNs, the research in full passive sensor nodes is becoming a hot issue. Most existing researches on the full passive nodes are based on fixing an energy acquisition module on nodes for the power supply. These solutions which have no redesign node have such disadvantages as the high consumption, the low reliability in real applications. In this paper, we proposed a full passive tag node design based on the collection mechanism of the pressure. The full passive tag node can work without individual energy modular as an RFID tag, while it manages the information as a sensor node. The experiment proved that the full passive node we designed in this paper can accomplish the information sampling, computing and storing by the energy of the pressure in an instance.
full passive tag nodes; piezoelectric film; energy collection
2014-04-17
国家自然科学基金(61170233, 61232018);传感技术联合国家重点实验室基金(skt1206);安徽省自然科学基金青年项目(1408085QF124, 1408085QF129);安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目(KJ2013A255)和六安市定向委托皖西学院产学研合作项目(2012LWA015)资助
黎明曦(1983-),男,江西南昌人,讲师,主要研究方向:传感器网络技术,物联网,网络工程技术,分布式安全。
Tel.:15055178350;E-mail:keeperlmx@gmail.com
TN 98
A
1006-7167(2015)02-0050-04