环境能量收集技术及其在无线传感器网络中的应用

引言

无线传感器是无线传感器网络最基本的组成部分，其体 积微小，然而自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作需 要。收集自然环境中的能量并转换为电能，实现传感器的自供 电，成为当前的研究热点之一叫目前研究无线传感器节点自 供能，主要都是通过收集环境中某一种特定的能源，但是依 靠单一的能源，并不是那么的可靠，自然界存在的环境能源是 不稳定的，必然会影响无线传感器节点的工作效率［%利用传 感器网络所处环境的特点，同时对周围环境中多种能量进行 收集、转化、获取、储存，为传感器节点提供和维持长时间 的电能，是提高无限传感器节点工作效率的一种有效途径。

1可利用的环境微能源

在我们生活的物质空间里，存在着各种潜在的、可以利 用的能源，例如太阳能、风能、热能、机械振动能、声能、电 磁能等叫本文收集环境中最常见的三种环境微能源，即照明 与环境光能、环境温差能和环境机械能。

表1不同能量转换方式间的对比

表1概括了这三种能量采集技术的主要参数值，从表中 可以看出这三种微能量的主要特征有:（1）输出电压比较低, 低于一般工艺下MOS管的阈值电压，因此该电压不能直接给 电路供电；（2）输出特性非理想性，存在最大功率点，其受 环境因素的影响；（3）内阻值大，输出功率低，致使供电电路 效率低下叫因此设计时需要根据环境中的微能量的不同特点, 以及无线传感器网络所处的环境选择出性价比最高的能量采 集方案，是延长无线传感器网络生命周期和降低其系统成本 的关键叫表2列出了对不同环境下不同环境能量的采集方案。

传感器节点所处环境不同，环境中可以收集的能源也不相同，采用某一特定的能量采集技术难以保证任何环境中的无 线传感器网络均能可靠地获取所需能量。因此，本文提出了一 种能同时采集到多种环境微能源，不再单一的依赖某一种能 量供电的能量管理系统。

2能量管理系统的工作原理

能量管理系统中使用了4个比较器，其中的比较器1实 际上是两个比较器组成的，一个用于监测光伏电池两端的电压, 另一个用于监测超级电容1两端的电压，另两个比较器分别用 于监测超级电容1、超级电容2两端的电压。能量管理系统结 构框图如图1所示。

2.1主能量收集原理

每平方厘米的太阳能电池板收集到的能量能达到mW级, 可以满足无线传感器节点的能量消耗。因此，优先考虑采用 太阳能光伏电池来采集照明与环境光能，作为无线传感器网络 节点供能量的主要方式。

太阳能光伏电池输出功率效率较咼时，比较器1中用于监 测光伏电池电压的比较器输出高电平，单片机控制电子开关1 将太阳能光伏电池与传感器节点及锂离子电池相连，并通过稳 压电路给传感器节点供能，且将多余的电能储存在锂离子电池 中。同时温差电池依靠太阳能电池背面的热量产生电动势，将 低压电能输出给超低压升压电路；电能通过升压后储存在超 级电容起中。

太阳能光伏电池输出能量功率下降时，比较器1中用于监 测光伏电池电压的比较器不再输出高电平，单片机控制的电子 开关1将光伏电池与超级电容1导通，太阳能电池不再直接与 传感器节点及锂离子电池相连，而与超级电容器连接。当超级 电容器充电，电压到达阈值2.5 V时，比较器1中用于监测超 级电容1的比较器的输出高电平，单片机控制开关电路开关2 导通，超级电容器开始放电，输出给升压电路，再给锂离子电 池充电。超级电容器放电过程电压逐渐下降，会从2.5 V逐渐 下降到1.0 V，到达1.0 V后放电效率会急剧下降，通过单片机加入延时程序。在超级电容器放电完成后，不再输出高电 平，开关电路开关2截止，等待超级电容器重新蓄能。

2.2辅助能量收集原理

压电发电片收集环境中的机械振动能，其不受其它两种 能量收集方式的影响，产生的能量经阻抗匹配电路和整流电 路给超级电容充电。当电压比较器3检测到超级电容的电压 达到2.5 V时，电压比较器3输出高电平，单片机控制电子开关4,使超级电容3放电为锂离子电池充电。在该能量管理系 统中温差电池和压电发电都是作为了辅助能源收集设备，避免 了依靠单一的外界环境能源为无线传感器节点供电，不再会因 某种特定的能量不足就转而收集其他的能源或者等待特定能 源比较充足的时候在收集。

2.3能量管理系统的软件设计

本能量管理系统中一共用到了三个超级电容用来临时存 储收集到的环境微能量，通过单片机延时，将其分先后放电。 设计软件流程框图如图2所示。

太阳能光伏电池板易收集环境中的能量，先进行信号检 测，到达阈值则其先进行放电。待超级电容放电后，其他超 级电容再逐个放电。由于单片机使用的是延时的方式，如果 在延时时间内，另一个超级电容器的电压也达到了阈值电压, 此时只能等待，当上一个超级电容器的放电延时结束，该超 级电容器才能开始放电。

3自供能的无线传感器网络

3.1无线传感器网络结构

无线传感器网络系统通常是由若干传感器节点、一个汇 聚(Sink)节点和后台监控平台构成，如图3所示。传感器 节点散布在监测区域内，每个节点都可以采集数据和转发相邻 节点数据，并用平面自组多跳路由(Multi-hop)无线方式把数 据传送到汇聚点，汇聚节点直接与互联网以有线的方式相连, 通过互联网或其它网络通讯方式将监测信息传送到后台监控 平台。同样地，用户可以通过后台监控平台进行命令的发布, 告知传感器节点收集监测信息。

图3无线传感器网络结构

无线传感器节点一般是由四个部分组成，即传感器模块、 处理器模块、无线收发模块和电源模块叫其中，传感器模 块是用于采集检测区域内的信息；处理器模块主要是用于数 据的处理和存储；无线收发模块是用于无线传感器节点之的 通信;电源模块主要是用于给传感器节点供电。无线传感器节 点结构框图如图4所示。

3.2无线传感器网络系统整体设计

无线传感系统由若干个自主供电的无线传感器节点和一 个无线接收系统组成。采用环境微能量收集器供电，电源管 理模块对微能量收集器的输出进行管理；温湿度传感模块、 无线通信模块以及单片机控制模块是无限传感器节点的应用 负载部分，负责测量到的数据无线发射至接收平台。无线接 收系统包括单片机控制模块、无线通信模块，用以接收数据; 数据的显示则由基于ARM处理器的上位机平台实现。

4实验测试与分析

4.1采用的收能器及其储能器件

微能源收集系统采用尺寸为62 mmX69 mm单晶硅光伏 电池收集照明和环境光能，采用尺寸为40 mmX40 mm的双 极型半导体温差发电模块来收集环境中的温差能，采用陶瓷 片直径为40 mm，基板直径为50 mm的圆形双晶压电发电片 收集环境机械能。锂离子电池的过充电保护电压为4.2 V，过 放电保护电压为3 V，容量为1 400 mAh，循环寿命：500次。 三个超级电容器的容量都为30 F，额定电压都为2.7 V无线 传感器节点工作电压范围为3.3 V

4.2实验结果分析

为了论证能量管理系统的有效性，下面取了 2014年3月13日这一天的实验结果进行分析。图6是锂离子电池端电压 的变化曲线。从图中看出，光伏电池在为无线传感器网络节点 供电的同时，将剩余能量储存在锂离子电池中，锂离子电池端 电压在充电过程中不断升高，16 : 00之后，由于太阳辐照度 比较低，再加上锂离子电池自放电效应及能源管理电路的消耗, 锂离子电池的端电压有所下降。能量管理系统中共有三个超 级电容，着重测试了存储温差电池能量的超级电容两端的电 压，其结果如图7所示。随着温差电池两端的电压不断升高, 超级电容两端的电压也逐渐升高。从图8中看出，系统的输出 为无线传感器节点供电的电压基本稳定在3.3 V，无线传感器 节点工作正常。

4.3实验结果小结

综上所述，该能量管理系统能充分利用环境中的微能量, 白天，光伏电池在为传感器节点供电的同时，将剩余能量储存 到锂离子电池中，同时温差电池能够将光伏电池产生的热量转 化为电能储存到超级电容器中，夜间，锂离子电池为节点供电。 若压电发电片受到振动激励亦可将环境机械能转化为电能存 储到超级电容中。系统基本上能够保持稳定的电压输出，从而 保证传感器节点正常稳定工作。

5结语

随着无线传感器网的广泛应用和研究的逐步深入，尽管 采能量管理策略，但以往的无线传感网络系统由于大量分布的 无线传感节点上的电池耗尽问题在许多应用场合下仍然难于实 用。能量采集技术为这类问题的解决开辟了一个新的天地。本 文给出了一种多路微能量收集方式，在传统的能量采集的基础 上，进行了改进，弓I进了最大可能的收集环境中的微能量，从 而提高了无线传感器的工作生命周期。

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