無線傳感器節(jié)點的低功率電源轉(zhuǎn)換方案

　　我們周圍有大量環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過，新的收集工具允許我們用種類繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是那些可以用來給電路供電的“平均收集”能量數(shù)量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)換成電能，壓電組件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光 （或任何光源）。這樣就有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無需本地電源而接受遠(yuǎn)程供電。

　　無線傳感器節(jié)點（WSN）基本上是一個獨立的系統(tǒng)，它由一些換能器組成，能將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號，其后跟著的通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

　　在實現(xiàn)WSN時，需要考慮的一個問題是：運行這個WSN需要多少功率？從概念上看，這似乎是一個相當(dāng)簡單的問題，然而實際上，由于受到若干因素的影響，這是一個有點難以回答的問題。例如，需要間隔多長時間獲取一次讀數(shù)？或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大？需要傳送多遠(yuǎn)？ 這是因為，獲取一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有50%是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響WSN能量收集系統(tǒng)的功耗特性。

　　當(dāng)然，能量收集電源提供的能量多少取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低，隨時變化且不可預(yù)測，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲存器的混合架構(gòu)。收集器（由于能量供給不受限制和功率不足）是系統(tǒng)的能源。輔助電能儲存器 （電池或電容器） 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲存較少的能量，在需要時供電，除此之外定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有可從其收集能量的環(huán)境能源時，必須用輔助電能儲存器給WSN供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計師的角度來看，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，因為他們現(xiàn)在必須考慮，必須在輔助電能儲存器中儲存多少能量，才能補(bǔ)償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲存多少能量，取決于幾個因素，包括：

　?。?） 環(huán)境能源不存在的時間。

　?。?） WSN占空比（即讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的頻度）。

　?。?） 輔助電能儲存器（電容器、超級電容器或電池）的尺寸和類型。

　?。?） 環(huán)境能源是否足夠？ 即既能充當(dāng)主能源，又有足夠的富余能量給輔助電能儲存器充電，以當(dāng)環(huán)境能源在某些規(guī)定時間內(nèi)不可用時，給系統(tǒng)供電。

　　環(huán)境能源包括光、熱差、振動波束、發(fā)送的RF信號或者其他任何能夠通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表1說明了不同能源能夠產(chǎn)生的能量大小。

　　表1：能源及其產(chǎn)生的能量大小