無線傳感器節(jié)點電源的解決方案

前言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活、易實施、并可將傳感器放置在原先很難接近的地方，因此它的應(yīng)用前景十分誘人，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、工業(yè)、建筑業(yè)(建筑物與橋梁中嵌入式傳感器)、消費(fèi)電子和國防中。然而，新的技術(shù)又會引發(fā)新的問題，這主要是無線傳感器節(jié)點的供電問題。傳感器節(jié)點是要長期工作的，經(jīng)常地更換電池既費(fèi)時、又費(fèi)力，在很多場合下也是不切實際的，它也不能像通常便攜式產(chǎn)品那樣經(jīng)常地充電。因此，尋找新的、適合無線傳感器節(jié)點使用的電源勢在必行。在諸多電源中，電池仍是人們的首選，主要是高能量密度的一次性電池，其主要限制是它的體積和成本。此外，人們也在研發(fā)更有效的替代產(chǎn)品，這樣，一類能從周圍環(huán)境中提取能量的能源裝置受到人們的青睞。本文主要介紹小型、低功率電源的解決方案。

傳感器節(jié)點對電源功率的要求

　　在介紹各種電源解決方案之前，對無線傳感器節(jié)點的功率要求作一些簡要的分析是十分必要的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)不同，有它自己的特點：傳感器監(jiān)測溫度、壓力和生物功能參數(shù)，數(shù)據(jù)速率較低，網(wǎng)絡(luò)使用率也不高。表1列出了一些人體生理指標(biāo)的參數(shù)。這是計算傳感器節(jié)點功耗的重要依據(jù)。

　
圖1　振動型電磁發(fā)電器

　　眾所周知，無線傳感器節(jié)點是由傳感器、信號調(diào)理電路和RF收發(fā)器組成的。收發(fā)器是功耗大戶，假定節(jié)點間平均距離為10m，相應(yīng)無線發(fā)射器應(yīng)工作在0dbm水平，其峰值功率應(yīng)在2-3mW之間。使用超低功率技術(shù)，接收器功耗不會大于1mW。還有就是傳感器本身和信號調(diào)理電路的功耗。溫度和壓力兩種參數(shù)可以通過電阻上的電壓來測量，其大小僅需克服電阻熱噪聲(≈10-20W/Hz，在室溫下)水平，功耗可以忽略不計。信號調(diào)理電路中主要是A/D變換器，據(jù)報道，現(xiàn)已研制成功一種0.5V、1mW的逐次近似ADC，其速率達(dá)4KC/S，已在我們要求之上。綜合以上分析，最大峰值功耗定為5mW是十分合理的。對最大100kb/s無線數(shù)據(jù)率和每個節(jié)點平均1kb/s通信負(fù)荷，以及每個節(jié)點約1%的占空比，平均功耗只有50μW。節(jié)點不發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時，實際要消耗功率的電路是低速定時器、信道監(jiān)測和節(jié)點同步電路，若采用先進(jìn)的“喚醒技術(shù)”和半同步信標(biāo)技術(shù)，每個節(jié)點平均“備用”功耗也在50μW左右。這樣，每個節(jié)點平均總功率要求為100μW。要是節(jié)點距離在1m左右，功耗還能進(jìn)一步降低。

耗能型電源

　　目前，無線設(shè)備常用的電源還是電池，首選漏電低、價廉而能量密度高的一次性電池。對傳感器節(jié)點應(yīng)用，電池壽命至少要在一年以上，對應(yīng)于每μW約32J能量，鋰基電池可提供1,400-3,600J/CC能量，使用1CC原材料，電池原則上可工作幾年時間。因而，雖然壽命有限、存在漏電、工作溫度會降低實際使用壽命，一次性電池仍不失為一種非常有吸引力的功率源。

　　另一種選擇是采用燃料的電源，人們看中的是它具有極高的能量密度，例如甲醇的能量密度高達(dá)17.6KJ/CC。燃料電池工作溫度低、沒有運(yùn)動部件。小型化電池是直接甲醇燃料電池，在這類器件中，甲醇與水在陽極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由電子和質(zhì)子，后者通過高分子薄膜后在陰極又氧化還原成水。已報道的功率水平高達(dá)47mW/cm2。

　　燃料發(fā)動機(jī)也在研發(fā)之中。這種新型熱發(fā)動機(jī)采用新熱動力學(xué)循環(huán)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過薄膜型壓電發(fā)生器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電功率。小型發(fā)動機(jī)由充滿液體和氣體的汽缸組成，汽缸兩端用薄膜密封，其中之一就是壓電型薄膜。隨著汽缸中熱流的進(jìn)出，氣泡的體積隨之膨脹與壓縮，作用在壓電薄膜上使它變形，從而產(chǎn)生電壓。這種發(fā)動機(jī)完全可用微電子工藝制作，批量地生產(chǎn)。

集能型電源

　　集能型電源就是從周圍環(huán)境中提取能量而直接產(chǎn)生電能的裝置。在無線傳感器節(jié)點環(huán)境中，有多種能量可以利用，如光、紅外輻射、電磁場、溫差、空氣流和振動等。太陽能電池是一種絕佳的解決方案，也是一種相當(dāng)成熟、且與電子電路兼容的技術(shù)。目前可提供的功率水平已達(dá)幾mV/cm2。當(dāng)然，其缺點是傳感器必須有良好的光照，正確的取向和沒有障礙物，對實際應(yīng)用有一定的限制。

　　從電磁輻射中獲取能量也受到地域位置的限制。在VHF和UHF頻帶，小型無線能以合理效率工作的場強(qiáng)在10-2-103V/m之間。功率密度近似地為E2/Z。(E是感應(yīng)電壓，Z。＝377W是無線的自由空間阻抗)。對10V/m或1V/m感應(yīng)電壓，相應(yīng)功率密度約為26mW/cm2或2.6mW/cm2。這就是說，想要成功地從周圍電磁輻射中獲取足夠的能量，無線感應(yīng)電壓須為幾V/m。遣憾的是，即便在城市中也沒有如此強(qiáng)的環(huán)境輻射，除非在無線基站附近。

　　風(fēng)能也是一種普遍可以利用的動力，科研人員研發(fā)了稱為壓電風(fēng)車的發(fā)電裝置，其工作原理是讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)動使壓電晶體變形而產(chǎn)生電壓。研制的一個樣機(jī)是由10cm風(fēng)車和12層雙壓電晶體(60