无线传感器网络电源方案的选择

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1、无线传感器网络电源方案的选择摘要：为了实现无线传感器网络节点的能量自给，根据无线传感器网络节点运行环境，结合能量采集技术的特点，对各种能量采集方式进行分析比较，提出了能量采集和管理方案选择的具体原则，对无线传感器网络电源方案的确定，具有很强的指导意义。关键字：无线传感器网络；电源方案；能量采集Abstract：KeyWords：0引言无线传感器网络节点被密集部署在监测环境中，通常运行在无人值守或人无法接近的恶劣甚至危险环境中[1]，如何将周围环境中的有效能源转化为电能，为无线传感器网络提供能量，从而实现无线传感器网路的能量自给是无线传感器网络研究设计中的关键问题。能量

2、采集技术为这些关键问题的解决提供了一种可行性方案。常见的能量采集技术有：振动能量采集、热能采集、太阳能采集、射频能采集等等。本文将从能量来源、适用范围、成本及优缺点等方面对各种能量采集技术进行分析比较，并提出系统使用成本低性价比高的能量采集方案的具体原则，达到了延长无线传感器网络的寿命周期，的目的。1能量的采集和使用选图1所示为无线传感器网络的能量采集与使用原理框图。无线传感器网络节点从其所处的环境中收集各种可利用的能源，将其转换为电能传输到能量存储与管理模块，当节点需要电能时，将能量从能量存储与管理模块中取出，经传输到达无线传感器网络节点上的各个元器件处，例如模数转

3、换器、处理器、存储器、射频收发器等，供其工作所使用，保证了传感器网络对电源的需求，实现了无线传感器网络长期有效的供电。图1无线传感器网络节点的能量采集与使用由图1可知，传感器节点所处环境不同，环境中可以收集的能源也不相同，采用某一特定的能量采集技术难以保证任何环境中的无线传感器网络均能可靠地获取所需能量。因此，需对多种能量采集技术进行性能分析比较，以便选出性价比最高的能量采集方案。0能量采集技术性能分析无线传感器网络周围环境中存在各种能源，不同的能源对应于不同的能量采集方法，如何根据无线传感器网络所处的环境选择出性价比最高的能量采集方案，是延长无线传感器网络生命周期和

4、降低其系统成本的关键，下面将从不同方面对不同环境下能量采集技术的性能进行分析，以便为性价比高的能量采集方案的选择提供可靠依据。2.1振动能量采集振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中，而这些场合往往是无线传感器网络系统应用的重点领域，因此振动能具有广泛的来源。振动能量采集就是采集机械、车辆、楼宇以及如桥梁等其它建筑架构产生的一般机械振动能，并将其转换为电能，无需布线和电池，就可驱动传感器的一种能量采集技术。具有振动能量采集功能的小型传感器可安装到车门、电动马达基座等狭小空间中，还可安装到大型机械、建筑物或桥梁等场合中。传感器在这里无需

5、电池、电源线路或通信布线即可进行工作，而且能够在不需要维护的情况下无限期工作。因此，该技术尤其适合需要长使用寿命、高温运行或者人员难以接近的应用中。振动能采集方式有压电式、电磁式和静电式，其中压电式发电机因具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，成为目前微型能量采集材料研究的热点之一[2]。影响振动能采集输出电压和能量的因素有：压电材料和振动频率。采用压电式振动能采集设备具有体积小、绿色无污染的优点，而且压电材料尺寸越小，压电效率越高，如当它们的厚度介于20纳米至23纳米之间时，其压电效率提高了100%，但是成本就会越高；电量输出和振动频率增加成线性关系，同振动力

6、的增加成指数关系[3]，因此，当振动微弱或振动频率不稳定时就无法为传感器网络提供足够的电源。2.2太阳能采集太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”既节能又环保的新能源，有着及其广泛的来源；无地域的限制，无论是陆地、海洋、高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发利用，且无需开采和运输。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能，将转化后的电能供无线传感器网络工作使用的一种能量采集技术。此技术可以用于解决不可再生资源的枯竭，能源的紧缺，环境的污染等问题。针对工业、交通、农业以及商业等多领域应用推出了可将环境光转换为电源的太阳能采集开发套件，充分满足了无线传感器网络系统设计人员对可替代能

7、源的需求。尤其在光照充足的偏远地区和危险环境区，开发人员可以构建基于太阳能的自供电无线传感器网络，从而无需定期花费时间与金钱进行系统维护和电池更换。通过将Cymbet的EnerChip技术与TI的MSP430微处理器和CC2500RF技术完美集成在一起，太阳能采集器无论在强光还是弱光环境中都能实现更高效的能量存储、能量处理及能量传输。EnOcean的太阳能采集模块采用了一种多晶硅太阳能电池。多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为11%～16%，无电力网地区的民用和工业用太阳能板系统是人们很熟悉的装置。另一种常见的太阳能电池是非晶硅电池，但它的效率只有多