无线传感器微能源自供电技术研究.pdf

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55收稿日期：

2012-06-20。

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（51172069，50972032）；中央高校基本科研重点项目（11ZG02）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20110036110006）。

作者简介：

朱俊杰（1992-），男，本科生，主要研究方向为微能源自供电技术。

通讯作者：

李美成（1973-），男，教授，主要研究方向为太阳能光伏器件与微能源技术。

E-mail：

无线传感器微能源自供电技术研究朱俊杰1，李美成1，2（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；2.华北电力大学苏州研究院，江苏苏州215123）摘要：

电源问题是制约无线传感器网络大规模应用的关键因素。

文章围绕延长无线传感器网络工作周期，以结点微能源自供电为研究对象，分别从微能源采集、能量存储和能量供给3方面对无线传感器网络中的微能源自供电技术展开讨论。

分析了结点微能源采集及管理技术现状，提出解决无线传感器能源问题要从能量采集入手，通过高效存储和节能降耗等技术使传感器结点实现能量自给自足；同时，对无线传感器网络中各种能量采集的原理与方法、锂离子电池与超级电容器等储能技术的运用及发展方向、微能源供给方案及降低能耗的措施进行了详细分析。

关键词：

无线传感器；无线传感器网络；微能源；太阳能中图分类号：

TN8；TP212.9文献标志码：

A文章编号：

1671-5292（2012）11-0055-06Researchonmicro-energyself-poweredtechnologyinwirelesssensornetworksZHUJun-jie1，LIMei-cheng1，2（1.StateKeyLaboratoryforAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China；2.SuZhouInstitute，NorthChinaElectricPowerUniversity，Suzhou215123，China）Abstract：

Powersupplyproblemsarethekeyfactorinrestrictingthelarge-scaleapplicationsofwirelesssensornetworks（WSNs）.Thispapercentersontheissueofhowtoprolongthenetworkslifetime.Discussionswerepresentedfromthreeaspectsseparately,intermsofmicro-powerhar-vesting,conservationandsupplyinginWSNs.Recenttechnicaldevelopmentsofmicro-powerhar-vestingandmanagementwereanalyzed,wethuspointedoutthatmicro-powerenergyharvestingshouldbeputinthefirstplacewhendealingwithpowerproblems.Combiningwithefficientcon-servationtechniquesandmeasuresforenergysavingandconsumptionreduction,self-sufficiencyofsensornodescanbeachieved.Also,inthispaper,asregardsWSNs,manystate-of-theartandmainstreamtechnologiesaboutenergystorage,energysupplyingandconsumptionreductionwerepresented,includingsomenecessaryprinciples,prototypes,eachmerit,demeritanddirectionsofdevelopment.Keywords：

wirelesssensor；wirelesssensornetworks；micro-energy；solarenergy0引言无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）是新一代的传感器网络，它提供了一个崭新的观察角度和平台，正逐渐成为多个应用领域高效易行的解决方案1。

延长网络的工作周期是无线传感器网络研究的重点方向，其中，传感器结点的电源问题是可再生能源RenewableEnergyResources第30卷第11期2012年11月Vol.30No.11Nov.201256可再生能源2012，30（11）制约网络使用周期最核心因素。

正如生物系统不可能只通过降低自身消耗而不补充能量来长久维持正常状态一样，无线传感器网络结点也不可能仅靠各种优化降耗的方法使网络长期正常工作下去2，3。

必须从能量采集的角度入手，采取有效方法使传感器结点实现能量自给自足。

藉此，无线传感器微能源自供电技术受到了研究人员的广泛关注，当前无线通讯、集成电路、传感器和微机电系统等技术的飞速发展使该能源领域不断涌现出各式各样的解决思路和设计成果410。

1无线传感器网络及其能源供给无线传感器结点体积小，通常只能携带能量有限的电池，要延长网络工作周期，结点的供电是必须考虑的问题。

由于传感器结点个数多、分布区域广，而且通常部署环境复杂，因此，通过更换电池的方式来补充能源（延长使用周期）是不现实的11，12。

解决结点的供电问题必须从能量采集的角度入手，采取有效措施使传感器结点实现能量自给自足，并高效储存供给使用。

同时，还须配合供能管理技术连续稳定地为结点供电。

由此可见，能量的有效采集、高效储存和利用以及整体的节能降耗是无线传感器网络突破能量限制的关键。

本文针对如何延长网络工作周期的问题，分别从能量采集环节、能量储存环节和能量供给环节3个方面对微能源自供电设计方案展开讨论，具体思路如图1所示。

2无线传感器网络的微能源采集通常认为，微能源有两层含义：

一是指微型的能源；二是指采用新的工艺技术制造和使用能源，以提高能源的性能，并应用于小型的和便携式器件的能源。

将微能源技术应用于无线传感器网络也有两个思路：

一是制造微型能源直接为传感器结点中的某个器件供电，同时保证有一定的能量和功率输出；二是通过收集转化环境中的微量能源为传感器结点供电。

微能源技术所采集的能源范围十分广泛，包括物质空间里各种可利用的能源，例如光能、热能、风能、振动能、化学能等。

2.1太阳能的采集自然界中，太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源，太阳能电池就是利用光生伏特效应制作的半导体器件，又称光伏器件。

与传统化学电池相比，太阳能电池在转化效率、设备搭建、环境保护等方面具有无可比拟的优势。

太阳能电池功率密度较高，每cm2可获取mW级的能量。

因此，在为结点设计采能装置时，应该优先考虑采用太阳能。

图2是人们提出的为无线传感器结点供电的光伏采能设计方案2。

单体的光伏电池，其输出电压都较低（一般在1V以下）。

为提高充电电压，可将多个光伏电池串联组成太阳能组件，单位时间内采集足够多的光能，保证常规日照条件下锂电池完全充满电。

人们还以光敏电阻为核心器件设计自动跟踪控制器，通过控制电机转动，始终保持太阳能接收装置对准太阳。

但我们认为这种设计存在的不足是控制电路设计复杂、电机转动能耗大，实际应用时需就此问题进一步优化。

另外，为应对连续阴雨等恶劣天气导致太阳能供电不足，人们还设计了应急充电电路。

随着太阳能技术的迅猛发展，太阳能采能方式将具有更为广阔的发展空间。

在系统设计上，考虑到当太阳光照射到光伏电池上时，仅有能量大于半导体材料禁带宽度的部分光子能量才能够转化为电能的实际情况，人们采用分频综合利用技术，有别于传统的太阳能电热联供系统，寻找具有特定吸收发射特性的纳米流体流经光伏电池，吸收光伏电池不能加以利用的部分能量13。

该系统不仅缓解了聚光光伏系统中的热管理问题，同时图1无线传感器网络微能源自供电结构图Fig.1Chartofmicro-energyself-supplyofwirelesssensornetworks太阳能收集热能收集振动能收集风能收集复合式能量收集其他能量收集环境能源锂离子电池储能超级电容器储能复合式储能其他形式储能供电方案1供电方案2电源管理技术降低能耗措施微能源自供电使用图2光伏结点设计方案图Fig.2ThedesignofPVsensornode传感器模块处理器模块无线收发模块传感器AC/DC处理器收发器存储器MAC网络太阳能源太阳能电池板蓄电池太阳能供应模块57朱俊杰，等无线传感器微能源自供电技术研究还优化了光电单元及光热单元的波段分配方案，进一步提高了系统效率。

太阳能的光和热综合利用技术将是太阳能采能发展的方向之一。

2.2热能的采集热能是自然界普遍存在的一种能源，利用赛贝克效应（Seebeckeffect）产生温差电动势，可设计温差电池，半导体的温差电动势较大，因此被用来广泛制作温差电池。

研究表明，温差发电性能可靠，维护少，适合作为极端恶劣环境下长时间工作的供电技术，在无线传感器结点能源供给设计中，温差电池也是一个易于实现的方案。

2010年5月，德国MicropeltGmbH公司开发出一种热能供电的无线传感器系统TE-PowerNode，该系统可实现连续工作，不需任何外部电源。

我们认为，虽然现实环境中温差广泛存在，但热电转化效率相对较低，且一般应用环境中难以提供较大温差，因而限制了温差电池的应用。

热能供电可作为一种辅助供电方案，配合光伏等其它供电技术。

2.3风能的采集风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。

自然界中风能广泛存在，然而，风力发电的一些特点限制了其在无线传感器结点上的应用：

（1）风速不稳定，发出电能的品质不高，不能直接向用电器供电，相应的转换电路也不易实现；

（2）传感器结点体积小、重量轻，难以负载合适的风力发电设备；（3）风能转换效率相比其它新型能源较低14。

基于此，传统观点认为，风力发电并不适合应用在复杂环境中大规模的无线传感器网络结点上，而新近的研究表明，结合压电等技术将有助于采用小型风机为传感器结点供电6，15。

例如，在将无线传感器网络应用于森林火灾的监测实例中，提出了新型风能采集系统（WEH），利用微型涡轮风力发电机（WTG）的输出电压测量环境中的风速，同时风能也被转化为电能储存并供给无线传感器结点使用15。

图3所示为该系统的样机。

我们认为，虽然风能微能源技术在无线传感器网络上的应用有突破性进展，然而，上文分析提到的风速不稳定带来的问题目前仍未得到很好的解决。

因此，要将风能发电应用于复杂环境中大规模的无线传感器结点，还需要在提高电能品质上继续深入研究。

2.4复合式能量采集技术及其它微能源采集从上述风能与压电技术相结合，开发新型微能源采集技术的思路可以看出，复合式采能、储能方案是当前发展的一大趋势。

国内外研究人员提出了多种复合式的储能方案，即由两种或两种以上的储能器件随环境和负载的变化而切换不同的充电方式，如光伏-光热型、光伏-温差型等16。

目前，环境噪声、生物组织的生化能、海洋的洋流、燃料电池和核能等也可作为无线传感器微能源自供能的能量来源，但这些形式的能源利用都受到环境和应用场合的限制，并且可提供的能量都很低，难以满足电子设备的功能要求，应用在传感器结点上并不多见。

3无线传感器网络的微能源存储无线传感器微能源储能环节是指在无线传感器结点工作时高效率地进行充电及储存。

从周围环境采集到各种类型的能源，须进行高效长期地储存，才能保证无线传感器网络持续工作。

下面将介绍锂离子电池储能、超级电容器储能、复合式储能3种应用于无线传感器网络的主流储能技术。

3.1锂离子电池储能常用的可以为无线传感器网络结点独立供能的电池包括碱性电池、锂电池等化学蓄电池。

从体积、环境适应性、放电稳定性、成本等方面综合考虑，在能满足大规模实际应用要求方面，锂离子电池优势明显。

锂离子电池的充电过程一般经历3个阶段：

（1）涓流充电（预充电）阶段；

（2）恒流充电（CC）阶段（可充到电池容量的85%左右）；（3）恒压充电（CV）阶段（充电电压基本不变，电流逐渐减小，当减小至终止电流IEnd时，整个充电过程结束）17。

电池过充，会导致电池使用寿命缩短，性能变坏，甚至产生漏液。

因此，设计出充电效率高、速度快、智图3应用于无线传感器结点的风能采集系统样机Fig.3HardwareprototypeoftheWEHwirelesssensornode风力发电机尾翼风力发电机无线传感器节点超级电容器电源管理设备58可再生能源2012，30（11）能化程度高、漏电少的锂离子电池储能电路，已成为当前无线传感器结点储能研究的重要方向。

根据上述3段式充电特点，人们可以设计相应的充放电方式，以提高功效，例如，随电池状态调整的充电方式等18。

3.2超级电容器储能超级电容器是近些年来发展起来的一种新型储能装置，具有功率密度高、寿命长、使用温度宽及充电迅速等优异特性，可反复充放电数十万次。

该储能元件容量可达法拉级（甚至上万法拉），实现快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制。

针对超级电容器在电压较高时自放电现象严重的问题，可将两个或多个超级电容器串联，以减少电容自放电19。

结合新能源采集方案，人们也制作了以太阳能为能源、超级电容器为电存储器的储能装置20。

目前，石墨烯等纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向，将给超级电容器性能提高提供更为广阔的发展思路和空间。

例如，人们可以在活性炭中添加纳米碳管制作超级电容器用极片等。

3.3复合式储能锂离子电池能量密度大，可进行500多次完整充放电，其自放电现象较弱；超级电容器功率密度较大，可用较大的电流进行上万次的充放电，寿命较长，但自放电现象严重。

若考虑将锂离子电池和超级电容器结合起来使用（锂离子-超级电容储能器），组成高容量、大功率、长寿命的复合储能系统，则可取长补短，有效地减少自放电，延长系统使用周期。

目前，该设计已经成为无线传感器结点储能的主流技术8。

需要指出的是，当前能量储存的形式仍然是化学蓄电池结合超级电容器，或由其组成复合储能元件，但并不局限于此，一些微纳尺度的新兴发电形式带来的“发电即用”的方式也是未来发展方向之一。

4无线传感器网络的微能源供给无线传感器网络微能源供电环节需要研究的问题应该包括如何提高无线传感器结点的供电品质和最大限度地降低系统整体能耗。

采集的能量转换成电能并储存后，必须通过有效的管理才能连续高效地为传感器结点供电；同时，只有降低能耗才能进一步延长网络的生命周期，充分利用采集和储存的能量。

4.1主流供电技术随着无线传感器网络微能源自供电研究的不断深入，结点的供电方式正向着多级能源复合供电的方向发展，复合式供电已逐渐成为无线传感器结点的主流供电技术。

针对上文提到的诸如太阳能、热能、风能等能源，我们认为其供电技术可分为如下两种类型：

（1）“即采即用”型：

环境中的能量经元件采集后，立即或小延迟后即可为结点供电，如太阳能经光伏板采集后立即为结点提供能源；

（2）“转存使用”型：

环境中的能量经元件采集后，并不立即使用，而是先转存于其它储能元件中，作为储备能源供结点使用，如在光照充足时，光伏板发出的电能并非全部用于供电，一部分以化学能的形式先储存于锂离子超级电容器中。

所谓复合式供电，即综合利用上述两种类型的供电方式。

须要指出的是，两种供电类型最大的区别在于，“即采即用”型供电受环境影响较大，在环境发生变化时，采能过程可能会受到干扰甚至中断；相比之下，“转存使用”型供电更加灵活、稳定，受环境影响小，主要接受供电电路控制。

我们认为，复合式供电进一步发展需着力解决以下问题：

（1）系统中多种供电方式的转换对稳压电路的要求较高，复杂集成电路的设计实现；

（2）复杂应用环境中存在的切换间隙整个网络稳定性的问题。

4.2常见供电问题通过分析无线传感器结点的供电特点，结合该领域实际供电过程中遇到的常见情况，我们认为，供电问题主要集中在电压不稳或过低、结点功率时变这两种情况。

4.2.1供电电压不稳或过低环境的变化往往会对结点采能造成干扰，对于能量采集部分，例如，以太阳能为结点供应能源时，如果太阳被云遮住，光伏板接收的光照强度就会发生变化。

人们设计了一种可自动调节占空比的供电网络，在环境光照强度和负载变化时，可保证输出电压基本稳定。

对于储能部分，温度骤升或骤降时，也会对超级电容器的工作产生不利影响，有时就需要在电容器和负载之间加升压装置，降低超级电容器的59工作截止电压，延长结点供电时间。

此外，考虑到发电器件的输出电压常常难以直接用于无线传感器结点供电，图4所示的储电管理电路能够解决这一问题，该双调谐匹配电路和升压电路有效地提高了最大输出功率和输出电压21。

经匹配、升压和整流，从发电器件输出的电能通过动态电容网络，先给并联的电容C1和C2充电，当储存电能超过门限值时，电容C1和C2自动切换成串联形式，这样，就可以产生双倍的输出电压。

通过开关S6调节电感L1的连通时间，输出电压还可进一步提高；电路中的二极管整流器用于稳定脉动电压。

4.2.2结点功率时变结点通讯模式分为4种：

空闲、发射、接收和休眠，其中能耗最大的是发射和接收环节。

例如，无线通信（发射和接收）时微型压电式振动发电机发射模块的静态电流随工作电压增加而增加，结点消耗的平均功率也随之增加，为几百毫瓦，而其典型的输出功率仅有几十到上百毫瓦22。

针对实际应用中无线传感结点瞬时功率大、平均功率小的特点，人们设计了一种基于多振子的功率调节电路，在超级电容器储能达不到负载时，该功率调节电路主回路断开，发电机为超级电容器充电；当储能足够时，主回路接通，提供一定时间的瞬时大功率输出，较好地解决了结点发射模块瞬时功率大和微型发电机输出功率小的矛盾23。

4.3降低能耗措施降低能耗是延长无线传感器网络工作周期的另一有效方法，下面我们总结了几种常用的无线传感器网络结点能耗降低的措施。

（1）采用不同的通讯协议能有效降低电源的消耗。

无线射频的物理层宽带频谱分为FHSS（Frequency-hoppingspreadsystem）和DSSS（Di-rected-sequencingspreadspectrum）两种。

其中，使用DSSS比FHSS有更大的过程增益，但能耗也相应增大。

例如，采用DSSS的IEEE802.11bWAN标准比采用FSSS的Bluetooth标准耗电量大。

根据应用环境、传输距离、成本要求综合考虑，在进行网络设计时选取合适的协议标准，可有效降低整个网络的能耗。

（2）应用低能耗组件的同时，结合电源管理（PowerManagement）策略，能进一步降低能耗，增加电池寿命。

无线传感器网络的电源管理采用动态功率管理（DynamicPowerManagement）和动态电压调度（DynamicVoltageScheduling）的动态管理模式，其核心都是状态转换策略4。

由于无线传感器网络结点并非一直处于工作状态，为降低耗电常常处于休眠模式，而在采集数据、处理数据和数据通信时才唤起，这种工作特点非常适于采用动态功率管理。

（3）优化路由协议，设计时考虑均匀使用结点能量和数据融合两个方面。

考虑多跳路由替代单跳路由；在确保结点共享信道的前提下，减少或避免碰撞，提高能效和数据吞吐率。

通过中间结点的处理，降低数据中的冗余度以减少通信量，提高通讯有效性，降低能耗7，16，23。

（4）减少传输误差可降低能量消耗。

当传输出现误差时，要求重新发送信息包，系统能耗会相应增加。

从减少误差发生的思路出发，对前向误差校正采用动态分配技术，即当环境噪声低时提高系统的信息输送量，当环境噪声高时减少输送量，以减少信息丢失的数量。

我们认为，该方法理论上可降低网络能耗，但实际应用过程中应考虑具体设计要求，在误差率、传送电耗、误差校正电耗等因素间折中。

除上述4种降低能耗的方法外，还有诸如减少通信流量、优化MAC层协议、结点睡眠调度机制等技术策略也能一定程度降低网络的能耗24，25。

5结语随着微能源、无线通信等技术的迅速发展，在从周围环境中采集能量进行供电的同时，结合各种优化降耗技术，将成为无线传感器网络微能源自供电研究的重要方向。

延长网络工作周期需要多领域的技术突破，未来的研究有望在以下几个方面获得进展。

图4供电管理电路Fig.4Powersupplymanagementcircuit动态切换电容网络匹配升压电路整流器调节器VoutS1S5S6S3S2S4C1C2C3L1朱俊杰，等无线传感器微能源自供电技术研究60可再生能源2012，30（11）

（1）基于网络中结点的移动性，研发出适应动态拓扑结构下的能量采集和供电技术。

（2）降低诸如光照强度、风速变化对相应微能源采集的影响，探索提高供电品质的新型采能方案。

（3）网络中结点多、分布广、环境不尽相同，研究能够根据所处环境自动切换能量采集模式的智能控制方案。

（4）创新性地优化结点内部的集成电路，满足结点对集成电路体积小、性能高的苛刻要求，使之在满足通信标准的前提下，协调各部件统一工作。

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