水下传感网络中基于声波充电规划研究

王艳荣，田飞博

(1. 焦作大学，河南 焦作 454003；2.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司, 北京 100085)

0 引 言

水下网络已受到军事、商业和科学领域的广泛关注，并在这三个领域广泛应用[1]，如战争监测、油和天然气勘察、气候变化检测。这些应用的迅速发展，加剧了水下网络发展步伐，对实现水下物联网(Internet of Underwater Things, IoUT)的需求迫切渴望。

随着应用功能的增强，IoUT中的实体结构也越来越复杂。IoUT中的实体包括水下传感节点(Underwater Sensor Node, USN)和水下自动车(Underwater Autonomous Vehicle, UAV)。IoUT内包含多个传感节点、无线通信系统、制动器等模块，这些模块必然增加了总体功耗。例如，一个USN需要约30 W功率完成非推进任务(通信、处理和感测)。若还需要螺旋桨或其他机械零件[3]，就需要15W-110W。因此，如何给这些传感节点提供不同等级电压以及给位于深水的UAV提供电源仍是一项挑战性问题。

电池供电是常用的设备供电方式。但这种供电方式带来一个问题：电池电量是有限的，一旦使用完毕，就必须充电或者替换。然而，若借助于船给UAV进行充电或替换电池，成本太高，操作性差[4]。此外，节点的移动也给充电操作增加了困难。

尽管能量采集已成功应用于传统的无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)，但将其应用于水下传感网络仍存在挑战。在水下环境很难获取风能、太阳能量。

近期，基于无线能量转换(Wireless Power Transfer, WPT)的充电方案得到关注。在WPT技术中，常采用电磁波传输能量。尽管现有的电磁波传播能量模型的能量传输效率能达到65%，但是传输距离的限制是该技术的不足。

为了能在水介质中获取更好的传播特性，基于声波的WPT是不错的选择。相比电磁波的方法，声波能以低的衰减，覆盖更长的通信距离。此外，若利用基于声波的WPT技术进行充电，可拉长充电器与传感节点间的距离。

为此，对水下传感网络中基于声波充电进行研究。利用声波连通系统，并从声波中提取能量。同时，采用一系列超级电容进行充电。相于电磁感应技术，超声波充电拉长了充电器与被充电设备间距离。实验数据表明，该平台能够有效进行充电[5-9]。

1 系统模型

考虑如图1所示的水下网络模型。整个水下物联网IoUT由USNs和UAVs组成。UAVs利用声波给USNs充电，补给能量。USNs感测数据，并将数据传输至水面上的数据收集中心。数据收集中心再通过无线射频信号将数据传输远端。

图1 系统模型

2 系统概述

2.1 系统设计

整个系统主要由两个模块组成：数据传输模块和能量管理模块。数据传输模块主要包括水下通信以及数据感测平台[4]。而能量管理模型由能量传输和设备供电两个模块组成，如图2所示。

图2 基于声波充电平台

Teensy板是数据通信模块的核心，其负责从传感节点接收数据、并处理数据。当Teensy板处理完数据后，将利用零前缀的正交频分复用(Zero-Padded Orthogonal Frequency-Division-Multiplexing, ZP-OFDM)通信模块产生电波信号，其包含了其处理的数据。其中，ZP-OFDM的带宽为11.025 kHz，中心频率点为22.050 kHz。

然后，再利用高通滤波器(High Pass Filter, HPF)将Teensy板与混合器进行连接。利用HPF进行直流偏置处理。混合器输出信号为27.950 kHz的波，再经过HPF处理，并通过PA进行放大。

能量管理模块包括传统的全波整流器(Rectifier)、传感器(Transducer)、匹配(Matching)网络和能量存储(Energy Storage)单元构成。整流器通过匹配网络连接传感器，进而增强无线能量转换效率。

整流器的输出是直流波，再将直流波输送至能量存储单元。然后，通过两个低压降(Low Drop Out, LDO)的调节器，产生不同伏的电压。

从图2可知，整个系统还采用了两个基于金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)/ADC的转换器，转换器一端连接Transducer，另一端连接数据通信单元或能量管理单元。当补充了足够的能量后，就切换数据通信单元，进行数据处理。

IWT-UWP系统可分为两个阶段。最初，能量存储被全部耗尽或部分耗尽。在这种情况下，充电器就利用超声波辐射给USN充电。这就进入第二阶段，一旦获取足够的能量，USN就数据处理操作[10-15]。

2.2 USN的设计

USN完成感测和通信模块操作需1.2 s，其包括5 ms的充电时间，800 ms的感测和处理数据时间和310 ms的传输操作时间。在传输过程中，USN传输一个ZP-OFDM数据包，其包含了ZP-OFDM符号，它携带了6144比特数据。

USN要完成这些操作需要12 V电压和14 mA的电流。然而，并非所有通信单元需求相同的电压。具体而言，Teensy板需求5 V电压供电；混合器需+12 V或-12 V电压供电；功率放大器需12 V电压供电。

2.3 能量模块的设计

在水下环境信号的衰减和转换损耗较大，这给能量模块的设计提出了挑战。此外，设计小型能量存储、且能快速充电的元件是很困难的。原因在于:(1)当接近饱和时，通过超级电容的充电电压呈现渐近特性；(2)存储元件的最大额定电压小于通信模块所需的电压；(3)内部的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)过大，难以给负载提供所需的电流;(4)从2.2节可知，数据通信模块内的各元件需不同的电压供电。

数据通信模块需25 mF充电，并感测、传输一个数据包。给单一电容元件充电至12 V是非常困难的，也相当耗时。因此，在充电期间，采用多个超级电容，并联联接；在放电期间，通过配置，使得穿过等效电容的电压满足负载的需求。通过这种方式，给这些超级电容充电更容易、更方便。同时，实现给数据通信模块提供12 V的电压。

利用MOSEFT和ADC电路实现数据通信模块与能量管理模块间的切换。MOSEFT作为电压控制设备，而ADC电路为模/数转换器。由于通信模块内不同元件要求不同的电压，引用两个LDOs调节器进行电压调整，进而满足需求。

3 系统性能分析

3.1 元件型号配置

采用微电路LZY-22+的高功率放大器和Airmar P58的传感器(Transducer)。同时，对于能量接收的传感器和数据传输的传感器，IoUT平台均采用相同类型的传感器。利用无源集总元件电路构成匹配网络。引用基于BAT54二极管的整流器，由其进行AC/DC转换。

对于存储单元，采用6个5.5 V供电的常用电容，其中100 mF电容4个，47 mF电容2个。在充电期间，电容与并联方式联接，致使等效电容为494 mF。在放电期间，100 mF，100 mF和 47 mF电容以串联方式联接，致使等效电容为48.45 mF，等效电容的两端电压为15 V。

最后，利用两个LDOs调整电压，进而满足通信单元的供电。具体而言，一个LDO将12 V调整成5 V 电压，给Teensy供电；另一个LDO将12 V转换成-12 V给混合器供电。

3.2 性能指标

3.2.1充电效率

首先，引用充电效率表述充电效果，其定义如式(1)所示：

(1)

其中Es表示给超级电容组所充入的能量；Etx表示所需的充电能量。显然，充电效率越高，系统的能量转换效率越好。

然后，引用数据传输效率表示处理、传输数据所消耗的时间，其定义如式(2)所示：

(2)

其中dm表示数据量，单位为比特。Tc表示充电时间。Ttx表示传输数据所消耗的时间。

同时，引用功率转换效率(Power Transfer Efficiency, PTE)评价无线链路的传输功率的变化情况，其定义如式(3)所示：

(3)

其中Prx表示接收的交流电功率。而Ptx表示传输的AC电功率。PTE反映了水下功率衰减以及传感器由电波-声波和声波-电波转换损耗。

为了分析整流器的性能，再引用整流效率表示由整流器所引起的衰减，其定义如式(4)所示：

(4)

其中Pdc表示整流后直流功率。

最后，引用系统效率表示整个系统的能量转换效率，其定义如式(5)所示：

(5)

从式(5)可知，系统效率表示：通过IWT-UWP系统所输入的交流功率Ptx转成直流功率的性能。

3.3 性能分析

为了更好地分析IWT-UWP系统性能，进行两个实验。假定无线声波充电器与IoUT平台为1米。

3.4 实验一

本次实验重点分析功率转换效率ηPTE、整流效率ηrect和系统效率ηsys。图3显示功率转换效率ηPTE随输入交流功率的变化情况，其中输入交流功率从0.1 W～1.4 W变化。从图3可知，当输入的交流功率大于0.1 W时，功率转换效率ηPTE维持约4%，且随输入交流功率的波动较小。

图3 功率转换效率ηPTE

图4 整流效率ηrect

接下来，分析系统的整流效率ηrect。图4显示了整流效率ηrect随接收交流功率的变化情况，且负载设为1 kΩ。从图4可知，只有当接收交流功率大于30 mW时，整流器的工作效率能达到50%以上。

最后，分析了系统效率ηsys随输入交流功率的变化情况，且负载设为1 kΩ。如图5所示。当输入交流功率大于1 W时，系统效率ηsys达到2%，并且随着传输交流功率的增加，系统效率也随之增加。

图5 系统效率ηsys

3.4.1实验二

本次实验分析系统的充电效率ηc和数据传输效率ηd。图6显示了充电效率ηc随传输交流功率的变化情况。从图6可知，传输交流功率的增加，使充电效率ηc呈增加趋势。原因在于：当Es固定时，传输交流功率的增加，使得充电时间变短。此外，当传输交流功率增加至1.3 W时，充电效率ηc也随之降低，原因在于：当传输交流功率增加至1.3 W时，功率转换效率ηPTE下降(见图3)。

图6 充电效率ηc

最后，分析数据传输效率ηd，如图7所示。从图7可知，数据传输效率ηd随传输交流功率增加而上升。这主要是因为：传输功率的增加，加速了充电过程，使充电时间变短，这有利于提高数据传输效率。

图7 数据传输效率ηd

4 结 语

如何给水域设备供电是部署水下传感网络的关键技术，为此，本文对水下传感网络的供电系统进行研究，并提出基于声波充电的平台。该平台利用声波技术进行充电，并利用超级电容进行存储能量。实验数据表明，超级电容存储的足够节点感测数据和声波通信。