無線傳感器網(wǎng)絡電源方案的選擇

1、無線傳感器網(wǎng)絡電源方案的選擇無線傳感器網(wǎng)絡電源方案的選擇摘要：摘要：為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量自給，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點運行環(huán)境，結合能量采集技術的特點，對各種能量采集方式進行分析比較，提出了能量采集和管理方案選擇的具體原則，對無線傳感器網(wǎng)絡電源方案的確定，具有很強的指導意義。關鍵字：關鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡；電源方案；能量采集Abstract：KeyWds：0引言引言無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點被密集部署在監(jiān)測環(huán)境中，通常運行在無人值守或

2、人無法接近的惡劣甚至危險環(huán)境中[1]，如何將周圍環(huán)境中的有效能源轉化為電能，為無線傳感器網(wǎng)絡提供能量，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)路的能量自給是無線傳感器網(wǎng)絡研究設計中的關鍵問題。能量采集技術為這些關鍵問題的解決提供了一種可行性方案。常見的能量采集技術有：振動能量采集、熱能采集、太陽能采集、射頻能采集等等。本文將從能量來源、適用范圍、成本及優(yōu)缺點等方面對各種能量采集技術進行分析比較，并提出系統(tǒng)使用成本低性價比高的能量采集方案的具體原則，達到了延

3、長無線傳感器網(wǎng)絡的壽命周期，的目的。1能量的采集和使用能量的采集和使用選圖1所示為無線傳感器網(wǎng)絡的能量采集與使用原理框圖。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點從其所處的環(huán)境中收集各種可利用的能源，將其轉換為電能傳輸?shù)侥芰看鎯εc管理模塊，當節(jié)點需要電能時，將能量從能量存儲與管理模塊中取出，經(jīng)傳輸?shù)竭_無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上的各個元器件處，例如模數(shù)轉換器、處理器、存儲器、射頻收發(fā)器等，供其工作所使用，保證了傳感器網(wǎng)絡對電源的需求，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡長期有效的供

4、電。構簡單、能量密度大、易于微型化等優(yōu)點，成為目前微型能量采集材料研究的熱點之一[2]。影響振動能采集輸出電壓和能量的因素有：壓電材料和振動頻率。采用壓電式振動能采集設備具有體積小、綠色無污染的優(yōu)點，而且壓電材料尺寸越小，壓電效率越高，如當它們的厚度介于20納米至23納米之間時，其壓電效率提高了100%，但是成本就會越高；電量輸出和振動頻率增加成線性關系，同振動力的增加成指數(shù)關系[3]，因此，當振動微弱或振動頻率不穩(wěn)定時就無法為傳感器網(wǎng)

5、絡提供足夠的電源。2.2太陽能采集太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”既節(jié)能又環(huán)保的新能源，有著及其廣泛的來源；無地域的限制，無論是陸地、海洋、高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)利用，且無需開采和運輸。太陽能采集就是將太陽能或光能轉化為電能，將轉化后的電能供無線傳感器網(wǎng)絡工作使用的一種能量采集技術。此技術可以用于解決不可再生資源的枯竭，能源的緊缺，環(huán)境的污染等問題。針對工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)以及商業(yè)等多領域應用推出了可將環(huán)境光轉換為電源的太陽能

6、采集開發(fā)套件，充分滿足了無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計人員對可替代能源的需求。尤其在光照充足的偏遠地區(qū)和危險環(huán)境區(qū)，開發(fā)人員可以構建基于太陽能的自供電無線傳感器網(wǎng)絡，從而無需定期花費時間與金錢進行系統(tǒng)維護和電池更換。通過將Cymbet的EnerChip技術與TI的MSP430微處理器和CC2500RF技術完美集成在一起，太陽能采集器無論在強光還是弱光環(huán)境中都能實現(xiàn)更高效的能量存儲、能量處理及能量傳輸。EnOcean的太陽能采集模塊采用了一種多晶

7、硅太陽能電池。多晶硅電池將太陽能轉換為電能的效率為11%～16%，無電力網(wǎng)地區(qū)的民用和工業(yè)用太陽能板系統(tǒng)是人們很熟悉的裝置。另一種常見的太陽能電池是非晶硅電池，但它的效率只有多晶硅的一半（8%）。除了轉換效率低的缺點以外，在陽光直射下非晶硅電池的轉換效率每年還要衰減15%～35%。盡管有這些明顯的缺點，但非晶硅的應用仍很普遍，因為它們的成本要比多晶硅低一個數(shù)量級，這對大批量消費、低功耗電子來說，是一個顯著優(yōu)勢。例如，一塊典型的55mm1

8、1mm多晶硅電池價格為3美元，而同樣一塊非晶硅電池只有不到25美分[4]。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點屬于低功耗器件，非晶硅電池就可滿足其供電需求，這樣不但實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的能量自給而且降低了系統(tǒng)成本。還可將太陽能采集套件置于光照好的環(huán)境中，并增大光照面積，從而得到更多的電能。雖然太陽能來源廣泛，但是太陽能具有分散性和不穩(wěn)定性[5]。雖然到達地面的太陽能總量很大，但是能流密度很低，甚至有些地方光照時間很短，因此，太陽能采集器必須具有足夠的存儲