无线传感器节点的低功率电源转换方案

[导读] 无线传感器节点（WSN）基本上是一个独立的系统，它由一些换能器组成，能将环境能源转换成电信号，其后跟着的通常是DC/DC转换器和管理器，以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。 关键词：WSN电源转换无线传感器

我们周围有大量环境能源，传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们用种类繁多的环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而是那些可以用来给电路供电的“平均收集”能量数量。例如，热电发生器将热量转换成电能，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 （或任何光源）。这样就有可能给远程传感器供电，或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电，以便微处理器或发送器能够无需本地电源而接受远程供电。

无线传感器节点（WSN）基本上是一个独立的系统，它由一些换能器组成，能将环境能源转换成电信号，其后跟着的通常是DC/DC转换器和管理器，以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。

在实现WSN时，需要考虑的一个问题是：运行这个WSN需要多少功率？从概念上看，这似乎是一个相当简单的问题，然而实际上，由于受到若干因素的影响，这是一个有点难以回答的问题。例如，需要间隔多长时间获取一次读数？或者，更重要的是，数据包多大？需要传送多远？ 这是因为，获取一次传感器读数，系统所用能量约有50%是收发器消耗掉的。有若干种因素影响WSN能量收集系统的功耗特性。

当然，能量收集电源提供的能量多少取决于电源工作多久。因此，比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。能量收集系统的可用功率一般很低，随时变化且不可预测，因此常常采用连接到收集器和辅助电力储存器的混合架构。收集器（由于能量供给不受限制和功率不足）是系统的能源。辅助电能储存器 （电池或电容器） 产生更大的输出功率但储存较少的能量，在需要时供电，除此之外定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有可从其收集能量的环境能源时，必须用辅助电能储存器给WSN供电。当然，从系统设计师的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在必须考虑，必须在辅助电能储存器中储存多少能量，才能补偿环境能源的不足。究竟需要储存多少能量，取决于几个因素，包括：

（1） 环境能源不存在的时间。

（2） WSN占空比（即读取数据和发送数据的频度）。

（3） 辅助电能储存器（电容器、超级电容器或电池）的尺寸和类型。

（4） 环境能源是否足够？ 即既能充当主能源，又有足够的富余能量给辅助电能储存器充电，以当环境能源在某些规定时间内不可用时，给系统供电。

环境能源包括光、热差、振动波束、发送的RF信号或者其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。以下表1说明了不同能源能够产生的能量大小。

表1：能源及其产生的能量大小