无线传感器节点电源的解决方案

前言

　　无线传感器网络灵活、易实施、并可将传感器放置在原先很难接近的地方，因此它的应用前景十分诱人，可广泛应用于生物医疗、工业、建筑业(建筑物与桥梁中嵌入式传感器)、消费电子和国防中。然而，新的技术又会引发新的问题，这主要是无线传感器节点的供电问题。传感器节点是要长期工作的，经常地更换电池既费时、又费力，在很多场合下也是不切实际的，它也不能像通常便携式产品那样经常地充电。因此，寻找新的、适合无线传感器节点使用的电源势在必行。在诸多电源中，电池仍是人们的首选，主要是高能量密度的一次性电池，其主要限制是它的体积和成本。此外，人们也在研发更有效的替代产品，这样，一类能从周围环境中提取能量的能源装置受到人们的青睐。本文主要介绍小型、低功率电源的解决方案。

传感器节点对电源功率的要求

　　在介绍各种电源解决方案之前，对无线传感器节点的功率要求作一些简要的分析是十分必要的。无线传感器网络与通信网络不同，有它自己的特点：传感器监测温度、压力和生物功能参数，数据速率较低，网络使用率也不高。表1列出了一些人体生理指标的参数。这是计算传感器节点功耗的重要依据。

　
图1　振动型电磁发电器

　　众所周知，无线传感器节点是由传感器、信号调理电路和RF收发器组成的。收发器是功耗大户，假定节点间平均距离为10m，相应无线发射器应工作在0dbm水平，其峰值功率应在2-3mW之间。使用超低功率技术，接收器功耗不会大于1mW。还有就是传感器本身和信号调理电路的功耗。温度和压力两种参数可以通过电阻上的电压来测量，其大小仅需克服电阻热噪声(≈10-20W/Hz，在室温下)水平，功耗可以忽略不计。信号调理电路中主要是A/D变换器，据报道，现已研制成功一种0.5V、1mW的逐次近似ADC，其速率达4KC/S，已在我们要求之上。综合以上分析，最大峰值功耗定为5mW是十分合理的。对最大100kb/s无线数据率和每个节点平均1kb/s通信负荷，以及每个节点约1%的占空比，平均功耗只有50μW。节点不发送/接收数据时，实际要消耗功率的电路是低速定时器、信道监测和节点同步电路，若采用先进的“唤醒技术”和半同步信标技术，每个节点平均“备用”功耗也在50μW左右。这样，每个节点平均总功率要求为100μW。要是节点距离在1m左右，功耗还能进一步降低。

耗能型电源

　　目前，无线设备常用的电源还是电池，首选漏电低、价廉而能量密度高的一次性电池。对传感器节点应用，电池寿命至少要在一年以上，对应于每μW约32J能量，锂基电池可提供1,400-3,600J/CC能量，使用1CC原材料，电池原则上可工作几年时间。因而，虽然寿命有限、存在漏电、工作温度会降低实际使用寿命，一次性电池仍不失为一种非常有吸引力的功率源。

　　另一种选择是采用燃料的电源，人们看中的是它具有极高的能量密度，例如甲醇的能量密度高达17.6KJ/CC。燃料电池工作温度低、没有运动部件。小型化电池是直接甲醇燃料电池，在这类器件中，甲醇与水在阳极进行化学反应，产生自由电子和质子，后者通过高分子薄膜后在阴极又氧化还原成水。已报道的功率水平高达47mW/cm2。

　　燃料发动机也在研发之中。这种新型热发动机采用新热动力学循环，将热能转换为机械能，再通过薄膜型压电发生器将机械能转换为电功率。小型发动机由充满液体和气体的汽缸组成，汽缸两端用薄膜密封，其中之一就是压电型薄膜。随着汽缸中热流的进出，气泡的体积随之膨胀与压缩，作用在压电薄膜上使它变形，从而产生电压。这种发动机完全可用微电子工艺制作，批量地生产。

集能型电源

　　集能型电源就是从周围环境中提取能量而直接产生电能的装置。在无线传感器节点环境中，有多种能量可以利用，如光、红外辐射、电磁场、温差、空气流和振动等。太阳能电池是一种绝佳的解决方案，也是一种相当成熟、且与电子电路兼容的技术。目前可提供的功率水平已达几mV/cm2。当然，其缺点是传感器必须有良好的光照，正确的取向和没有障碍物，对实际应用有一定的限制。

　　从电磁辐射中获取能量也受到地域位置的限制。在VHF和UHF频带，小型无线能以合理效率工作的场强在10-2-103V/m之间。功率密度近似地为E2/Z。(E是感应电压，Z。＝377W是无线的自由空间阻抗)。对10V/m或1V/m感应电压，相应功率密度约为26mW/cm2或2.6mW/cm2。这就是说，想要成功地从周围电磁辐射中获取足够的能量，无线感应电压须为几V/m。遣憾的是，即便在城市中也没有如此强的环境辐射，除非在无线基站附近。

　　风能也是一种普遍可以利用的动力，科研人员研发了称为压电风车的发电装置，其工作原理是让风车的转动使压电晶体变形而产生电压。研制的一个样机是由10cm风车和12层双压电晶体(60