基于微能源收集技术的传感器节点

郭颖，张湧涛

(华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210)



基于微能源收集技术的传感器节点

郭颖，张湧涛

(华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210)

无线传感器节点；能量收集；能量管理；低功耗

针对无线传感器节点能量供应的问题，设计了一款从环境中提取能量的传感器节点。该节点采用太阳能和射频能量混合供能方式，以锂离子电池和超级电容为储能装置，运用低功耗管制策略。实验结果表明，从所处空间中获取能量的方式可以增加节点的生命周期，并可有效改善单项环境能供不应求的情况。

0 引言

随着无线传感器网络越来越受各国的重视，其在各个领域的应用也越来越宽泛，如今其应用以逐步深入到工业、商业、医学、环境、军事和设备状态监测等领域[1]。然而，作为整个监测网络重要组成部分的节点往往安插在维护不易、环境复杂、无人看守极端环境中，如果采用传统的干电池供电方式，人为的更换电池实属不易，而且也大大增加了无线传感器的维护成本[2]。对于节点供能这个限制因素，提出了一款太阳能和射频能互补的混合供能方式，通过太阳能光伏发电装置和射频能天线发电装置从环境中换取能量，采用高效、合理的管理方式进行能量管理，利用锂电池和超级电容混合储能的方式进行能量存储，并对降低能耗的几种途径进行探讨，从而实现节点持久有效工作。

1 能量采集原理

1.1 太阳能采集原理

太阳能需要凭借转换装置完成光电转换。光-电转换的基本原理是光生伏特效应，基本装置是光伏电池。光伏电池基本上是由半导体材料制成，当光照射时，半导体内部激发出电子-空穴对，并且在p-n结电场的作用下使它们分开，然后向着它们对立的区域移动，最后在2个区域产生异号电荷的累积，从而出现光生电压。如果在电池外部接上导线或电阻形成回路就会有电流流过，这就是电池实现光能-电能转换的过程[3-4]。该项研究中太阳能电池选择面积为90 mm × 65 mm单晶硅太阳能电池板，因为它坚固耐用能在恶劣的环境中持续工作。其I-V 特性曲线如图1所示。

图1 光伏电池U-I特性曲线

1.2 射频能量采集原理

射频能量采集系统通过特制的天线接收散布在空间的电磁波为传感器节点供能，移动电话、移动基站、电视、无线广播台等都会发射这些电磁波。因为通过天线的匹配电路捕获的射频能量经输出为小电流交流电，所以要经过整流升压电路产生DC直流信号，才能为传感器节点供电。在射频能量采集系统中天线的选择影响着整个系统的能量利用率，天线不但对重量、体积有要求,而且对接收面积也有严格要求，因此，该项研究选择天线时要综合考虑各个因素而不是单独考虑频率问题[5-6]。其能量收集原理图如图2所示。

图2 射频能量收集系统的原理

2 能量存储

在传感器节点自供能系统中，不但在环境利用率方面存在问题，能量存储方面也面临着严峻的考验。目前，人们使用的能量存储装置日新月异，根据所得能量的不同存储设备亦不尽相同。而该项研究采用锂离子电池、超级电容器混合能量存储技术进行存储以提高其各自存储的效率，其性能差别如表1所示。

表1 性能比较

之所以选择混合储能技术进行能量存储，是因为它们的缺点可以相互弥补。锂离子电池的单位体积输出功率和循环次数比超级电容器差很多，但它单位体积包含的能量却遥遥领先与超级电容器。因此，它们的混合使用实现了优势互补、扬长避短。

3 能量管理策略

当光电转换装置的输出效率和电压比较高时，必须通过稳压电路使电压值处于指定范围内后才能给节点供电，当有富余能量时可以接续给锂离子电池充电；相比于其他能量，射频信号非常小，为了实现最大功率输出，需要设计与天线相匹配的匹配电路并进行阻抗系数的相应搜索，因其输出为交流信号所以还需进行AC/DC转换实现整流滤波后才能给超级电容充电，最后通过升压电路使超级电容两端电压达到设定阈值后给锂离子电池充电。

能量管理系统框图如图3所示。工作原理：当光照充沛时，太阳能电池通过稳压电路使电压处于指定范围后一边给节点供电，一边把富余的电量保存到锂离子电池中；贴片天线和匹配电路组成的采集装置采集的射频能量经整流升压后向超级电容器充电。随着超级电容器的电压的增加直至高达高临界值时，开关电路1导通，单片机工作并操控开关电路2导通，此时电容器通过升压电路满足设定电压要求后同时为负载和锂电池供电。接着电容器的电压下降直至到达低临界值时，开关电路1切断，单片机工作结束并控制开关电路2切断，电容器不再释放电能，使该系统回到最开始的形态。当遇到阴雨天气或晚上，光电转换装置输出功率相比于光照充沛时较低，并且射频能量比较弱时，此时由锂电池为传感器节点提供能量[7-8]。在本系统中，单片机、比较器等均为有源器件，当它们工作时都要消耗能量，因此，在单片机上采用了低功耗的能量管理策略，仅仅在超级电容器放电时，单片机才处于能量消耗的工作状态，这使系统的能量损耗大大减少，延长了无线传感器节点的寿命。

图3 能量管理系统框图

4 低功耗措施

提高无线传感器网络生命周期的方法除了应用微能源为其节点提供电能外，降低能量消耗也是必不可少的有效措施。目前国内外降低WSN功耗主要技术[10-11]分为以下几种：

(1)物理方法即选择功耗低的处理器芯片，并且需要支持睡眠模式。无线传感器节点中能量花费最高的模块是处理器模块，所以选取适当得低耗能芯片十分重要。

(2)无线传感器网络的多路访问控制协议采用"侦听/睡眠"模式,当节点要收发数据时,就启动无线通讯模式传输数据,当没有数据收发时,通过和邻居节点保持一致,调整"侦听/睡眠"周期后,从而闭合各部分以开启睡眠模式,来降低能量花费。

(3)路由协议主要从数据传输的最优能量消耗路径、数据融合、节点的位置的选取这些方面达到节能的目的。

(4)采用数据融合技术可以消除冗余数据，处于复杂的情形时，每个节点发送不同的数据给汇聚节点，而不是这些节点收罗到的同一数据同时发给汇聚节点，这使整个网络能耗大大降低。

(5)合理的功率分配能使无线传感器节点能量花费最小,而且增加无线传感器网络生存年限。合理功率分配的一般方法为寻找近似解。

5 实验测试

将封装好的传感器节点放在空旷的操场上进行性能测试，无线传感器节点的恒定工作电压为3.3 V；超级电容器容量为0.47 F，额定电压为2.7 V；锂离子电池的最高电压为4.2 V，过放电保护电压为3 V，初始电压为3.2 V[9]。

5.1 超级电容器充电曲线

图4为天线经整流后向超级电容器充电的曲线，图5为其自放电曲线。以1 V为例，其两端电压达到1 V时耗时大约是30 min，而其从1 V放点至两端电压为0 V时，大约需要1 800 min，由此可知，超级电容器存储的电能远大于其自放电消耗的电能。因此，当其两端电压达到峰值时将能量贮存到锂电池中去。

图4 超级电容器充电曲线

5.2 锂离子电池充电曲线

图6为某3 d锂离子电池两端电压随时间变化曲线，当光电转换装置输出功率大时，例如白天，该装置共同向节点和锂离子电池充电。当光电转换装置输出功率小时，大多在晚上，只能使锂离子电池向无线传感器节点供电，锂离子电池两端电压下降。在第3天14：00左右，锂离子电池两端电压不在变化，证明其被充满，此时充电电路被断开，由太阳能电池单独为节点供电。采用该能量管理策略，用充满电的锂离子电池独自为节点供电能够维持数天，这大大延长了它的生命周期。

图6 锂离子电池两端电压随时间变化曲线

6 结论

(1)无线传感器网络的发展，将促进世界各个范畴的全面提升，但能源供应不足一直是限制甚至阻碍其发展的关键问题。该项目将能量收集方法、存储方案、能量管理策略及低功耗措施相结合大大延长无线传感器节点生命周期，从根本上解决无线传感器网络面临的能源问题。

(2)从环境中采集微能源为无线传感器节点供电的同时降低节点功耗，这将是其研究的重要方向，也将对整个无线传感器网络未来的成长起到一定的促进作用。

[1] 胡冠山,姚彦青.无线网络传感器能量收集管理技术[J].传感器世界,2006,12(3):33-36.

[2] 李朝辉.基于环境能量收集技术的无线传感网研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学,2015.

[3] 王战备.基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统设计[J].渭南师范学院学报,2013,28(12):64-68.

[4] 张静静,赵泽,陈海明,等.一种高效的太阳能传感器网络节点系统设计与实现[J].仪器仪表学报,2012,33(9):1 952-1 960.

[5] 武剑.用于无线传感网络的射频能量收集器研究[D].成都：电子科技大学,2015.

[6] 王芳,修素朴,张咪,等.多射频源复合式能量采集系统优化设计[J].电子元件与材料,2014,33(9):91-92.

[7] 苏波,李艳秋,于红云,等.基于无线传感器节点的能量管理系统[J].太阳能学报,2007,30(3):1069-1072.

[8] Su B,Li Y Q,Yu H Y,et al.The wireless sensor node harvesting energy from environment[J].Chinese Journal of Sensors and Actua tors,2008,20(2):65-74.

[9] 赵清华.无线传感器节点能量管理系统的研究[D].太原：太原理工大学,2010.

[10] Pottie G J,Kaiser W J.Wireless integrated network sensors[J].Wireless Integrated Network Sensors Next Generation,2004,43(5): 51-58.

[11] Sinha A,Chandrakasan A.Dynamic Power Management in Wireless Sensor Networks[J].IEEE Design and Test of Computers,2001,18(2):62-74.

Sensor Node Based on Micro Energy Collection Technology

GUO Ying,ZHANG Yong-tao

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

wireless sensor node; energy collection; energy management; low power consumption

Aiming at the energy supply problem of wireless sensor nodes,a sensor node for extracting energy from environment was designed.Mixed energy supply mode of solar energy and RF energy was adopted in the node,lithium ion battery and super capacitor were taken as energy storage device,and low power energy management strategy was used.The experimental results show that the way to obtain energy from the space can increase the life cycle of the node,and effectively improve the in short supply situation of single environmental energy.

2095-2716(2017)03-0082-06

2016-12-28

2017-05-02

TP212.1

A