無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)電源的解決方案

前言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )靈活、易實(shí)施、并可將傳感器放置在原先很難接近的地方，因此它的應用前景十分誘人，可廣泛應用于生物醫療、工業(yè)、建筑業(yè)(建筑物與橋梁中嵌入式傳感器)、消費電子和國防中。然而，新的技術(shù)又會(huì )引發(fā)新的問(wèn)題，這主要是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的供電問(wèn)題。傳感器節點(diǎn)是要長(cháng)期工作的，經(jīng)常地更換電池既費時(shí)、又費力，在很多場(chǎng)合下也是不切實(shí)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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(lèi)能從周?chē)h(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。

傳感器節點(diǎn)對電源功率的要求

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

　
圖1　振動(dòng)型電磁發(fā)電器

　　眾所周知，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是由傳感器、信號調理電路和RF收發(fā)器組成的。收發(fā)器是功耗大戶(hù)，假定節點(diǎn)間平均距離為10m，相應無(wú)線(xiàn)發(fā)射器應工作在0dbm水平，其峰值功率應在2-3mW之間。使用超低功率技術(shù)，接收器功耗不會(huì )大于1mW。還有就是傳感器本身和信號調理電路的功耗。溫度和壓力兩種參數可以通過(guò)電阻上的電壓來(lái)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。信號調理電路中主要是A/D變換器，據報道，現已研制成功一種0.5V、1mW的逐次近似ADC，其速率達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(wú)線(xiàn)數據率和每個(gè)節點(diǎn)平均1kb/s通信負荷，以及每個(gè)節點(diǎn)約1%的占空比，平均功耗只有50μW。節點(diǎn)不發(fā)送/接收數據時(shí)，實(shí)際要消耗功率的電路是低速定時(shí)器、信道監測和節點(diǎn)同步電路，若采用先進(jìn)的“喚醒技術(shù)”和半同步信標技術(shù)，每個(gè)節點(diǎn)平均“備用”功耗也在50μW左右。這樣，每個(gè)節點(diǎn)平均總功率要求為100μW。要是節點(diǎn)距離在1m左右，功耗還能進(jìn)一步降低。

耗能型電源

　　目前，無(wú)線(xiàn)設備常用的電源還是電池，首選漏電低、價(jià)廉而能量密度高的一次性電池。對傳感器節點(diǎn)應用，電池壽命至少要在一年以上，對應于每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(shí)間。因而，雖然壽命有限、存在漏電、工作溫度會(huì )降低實(shí)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17.6KJ/CC。燃料電池工作溫度低、沒(méi)有運動(dòng)部件。小型化電池是直接甲醇燃料電池，在這類(lèi)器件中，甲醇與水在陽(yáng)極進(jìn)行化學(xué)反應，產(chǎn)生自由電子和質(zhì)子，后者通過(guò)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47mW/cm2。

　　燃料發(fā)動(dòng)機也在研發(fā)之中。這種新型熱發(fā)動(dòng)機采用新熱動(dòng)力學(xué)循環(huán)，將熱能轉換為機械能，再通過(guò)薄膜型壓電發(fā)生器將機械能轉換為電功率。小型發(fā)動(dòng)機由充滿(mǎn)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(zhù)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(dòng)機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?chē)h(huán)境中提取能量而直接產(chǎn)生電能的裝置。在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)環(huán)境中，有多種能量可以利用，如光、紅外輻射、電磁場(chǎng)、溫差、空氣流和振動(dòng)等。太陽(yáng)能電池是一種絕佳的解決方案，也是一種相當成熟、且與電子電路兼容的技術(shù)。目前可提供的功率水平已達幾mV/cm2。當然，其缺點(diǎn)是傳感器必須有良好的光照，正確的取向和沒(méi)有障礙物，對實(shí)際應用有一定的限制。

　　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(wú)線(xiàn)能以合理效率工作的場(chǎng)強在10-2-103V/m之間。功率密度近似地為E2/Z。(E是感應電壓，Z。＝377W是無(wú)線(xiàn)的自由空間阻抗)。對10V/m或1V/m感應電壓，相應功率密度約為26mW/cm2或2.6mW/cm2。這就是說(shuō)，想要成功地從周?chē)姶泡椛渲蝎@取足夠的能量，無(wú)線(xiàn)感應電壓須為幾V/m。遣憾的是，即便在城市中也沒(méi)有如此強的環(huán)境輻射，除非在無(wú)線(xiàn)基站附近。

　　風(fēng)能也是一種普遍可以利用的動(dòng)力，科研人員研發(fā)了稱(chēng)為壓電風(fēng)車(chē)的發(fā)電裝置，其工作原理是讓風(fēng)車(chē)的轉動(dòng)使壓電晶體變形而產(chǎn)生電壓。研制的一個(gè)樣機是由10cm風(fēng)車(chē)和12層雙壓電晶體(60