摘 要：在影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期的眾多因素中，節(jié)點的能量是其中最為重要的。節(jié)點的功耗、布撒環(huán)境以及具體應(yīng)用等因素，都對節(jié)點的能量供給有重大影響。本文分析了當前基于能量挖掘的節(jié)點能量供應(yīng)系統(tǒng)，并提出了改進的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能量供應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用環(huán)境能量為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點永久供電。
　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);能量供給;節(jié)點;能量挖掘

　　1 前言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于在戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)視、家庭安全及智能空間等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，越來越多的受到研究人員的重視。但是，節(jié)點的能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮效能的瓶頸。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)自身特點進行設(shè)計,傳感器節(jié)點功耗較低，但功耗變化范圍比較大。如果利用能量挖掘技術(shù)從環(huán)境中挖掘能量，使節(jié)點具有能量補充的能力，無線傳感節(jié)點將避免能量的單向遞減過程，這將從根本上解決節(jié)點的能量供給問題。

　　能量挖掘裝置，可以挖掘各類能量。各種環(huán)境能源豐富程度不同，太陽能晴空直射條件下為100 mW/cm² [1]，此外，還有溫差、振動等形式的能量。目前，已經(jīng)有利用環(huán)境能量為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供能量的系統(tǒng)的研究和開發(fā)。譬如，創(chuàng)業(yè)公司Perpetuum推出的PMG7微發(fā)電機，能從一個 100mg振動中產(chǎn)生高達5mW/3.3V的輸出功率[2]。但是，利用振動能量使得節(jié)點只能布置在能經(jīng)常產(chǎn)生振動的區(qū)域，使節(jié)點的布撒環(huán)境受到限制，另外，在間歇性的振動的條件下，系統(tǒng)也無法連續(xù)工作。

　　本文提出了一種基于太陽能的能量供給系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多級能量內(nèi)存，結(jié)合能量管理與能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，使由太陽能電池采集到的能量得到合理的利用，從而構(gòu)成具有自我管理能力的能量供給系統(tǒng)，實現(xiàn)了為無線節(jié)點永久性供電與無線傳感網(wǎng)絡(luò)無限使用的目的。

　　2 設(shè)計與分析

　　為了更好地解決傳感器節(jié)點的能量供給問題，我們提出了基于太陽能的能量供給系統(tǒng)，由以下部分構(gòu)成：能量挖掘裝置，由太陽能電池板構(gòu)成，負責將太陽能轉(zhuǎn)化為電能;能量內(nèi)存，包括主級能量內(nèi)存和次級能量內(nèi)存，由超級電容構(gòu)成，負責存儲太陽能電池采集到的能量，并為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點供電;后備能量內(nèi)存，由鋰電池組成，是緊急情況下系統(tǒng)的能量來源;電源管理和控制部分，負責監(jiān)控主級和次級能量內(nèi)存和后備能量內(nèi)存的能量大小狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)控制這些能量內(nèi)存為系統(tǒng)供電，并且控制太陽能電池為能量內(nèi)存補充能量。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)的主要操作模式是主級和次級能量內(nèi)存存儲收集到的環(huán)境能量并且給傳感器節(jié)點供電，而后備能量內(nèi)存作為一個緊急情況下可靠的后備電源，使系統(tǒng)能夠在環(huán)境能量間歇的條件下很好地工作。

　　能量挖掘裝置采用的太陽能電池，效率大約是16%-17%，在太陽直射情況下的輸出功率約每平方厘米16-17毫瓦。如果通過選擇滿足系統(tǒng)電壓要求的配置來確定電壓，可以將環(huán)境能源作為一個電源模型：

　　Pe（t） = Punit（t） ＊ A （1）

　　其中，Punit（t）是單位面積單位電池板的能量，A是并聯(lián)起來的電池板的數(shù)目或是面積。

　　雖然能量內(nèi)存的容量是有限的，但是為了盡可能多地從環(huán)境中攝取能量，那么Pe（t）應(yīng)該盡可能高。這樣，在給能量內(nèi)存補充足夠的能量之后，可以讓系統(tǒng)繼續(xù)利用環(huán)境能量。但是，太陽能板的大小應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)性能指針、體積大小以及成本等因素綜合考慮。

　　主級能量內(nèi)存和次級能量內(nèi)存由超級電容構(gòu)成。作為節(jié)點最主要的能量來源，需要存儲能量挖掘裝置挖掘的能量，所以它應(yīng)該能夠經(jīng)受頻繁的充放電，而電容恰恰可以滿足這個性能要求，而且大容量的超級電容能構(gòu)提供足夠的容量，因此，選用電容作為主級和次級能量內(nèi)存是最為理想的。

　　為了延長主能量內(nèi)存的供電時間，應(yīng)根據(jù)漏電流、能量消耗水平以及系統(tǒng)啟動時間的要求，確定合適的電容容量。根據(jù)報導(dǎo)，22F的電容漏電流最小。結(jié)合系統(tǒng)成本、體積方面的要求，選擇25F的超級電容作為能量存儲元件，通過將兩個超級電容串聯(lián)以減小其漏電流。

　　后備能量內(nèi)存由鋰電池構(gòu)成。鋰電池的特點有：漏電流低，能量密度高，單節(jié)電池電壓高，因此，選擇鋰電池構(gòu)成后備能量內(nèi)存。然而必須注意，它需要復(fù)雜的充電電路以防止對電池的有害效應(yīng)。

　　傳感器節(jié)點在活動模式下和休眠模式下的功耗差別很大，功耗決定于三個參數(shù)：活動時間占總時間的百分比D，活動模式下消耗的電流Ia，以及休眠模式下的電流Is。在大多數(shù)情況下，我們只對平均功耗P有興趣（假設(shè)喚醒時間可以忽略）：

　　P = Vsup × （D × Ia + （1 − D） ×Is） （2）

　　以上公式表示， Ia, Is, Vsup和D都是影響系統(tǒng)功耗的因素，需要在實現(xiàn)時予以考慮。

　　3 方案實現(xiàn)

　　在傳感器節(jié)點上實現(xiàn)能量供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與一種節(jié)點通過一個40針的接口連接[3]，如圖2所示。系統(tǒng)采用一個60毫米×60毫米的太陽能電池板作為能量挖掘裝置，它具有4.4V的輸出電壓;采用四個容量為25F的超級電容組成兩級能量內(nèi)存，每個有最大2.7V的額定電壓;將兩個超級電容串連起來作為一級能量內(nèi)存，可以減小漏電流，并且與太陽能電池的輸出4.4V匹配;采用容量為1120mAh、工作電壓為3.7伏的鋰電池作為后備能源。

圖2 系統(tǒng)實物圖

　　由兩個25F電容串連構(gòu)成的能量存儲裝置在漏電流的影響下測定的電壓曲線如圖3所示。測定時間范圍為24小時，為了反映能量存儲裝置的總體趨勢，采用分段線性的擬合方法，可以得出漏電流的變化規(guī)律如下：

　　 （3）

　　式中，V0為初始電壓，單位為V，t為時間，單位為小時。

圖3 漏電流曲線圖

　　由以上可知，在24小時內(nèi)，超級漏電流的影響必須予以考慮，由于漏電流而損失的能量無法被系統(tǒng)利用。

　　由太陽能為超級電容組成的能量存儲裝置充電，太陽能電池的充電能量與超級電容的容電能量必須匹配，即在通常光照條件下，太陽能電池能為兩級能量存儲裝置充滿電量。

　　圖4為能量存儲裝置的充電時的電壓曲線。根據(jù)測量的電壓值進行擬合，可以得到能量存儲裝置的充電電壓曲線。擬合所得方程如下：

　　 （4）

　　式中，A為中止充電時的電壓，即太陽能電池提供的電壓，為4.4，B,C兩個系數(shù)表征了充電時的外部條件，如光照等，隨外部條件不同，B,C會有變化。在這條曲線中，B為0.06348，C為2.17868，擬合度為99.766%，選擇和能量內(nèi)存匹配的太陽能電池必須以上述結(jié)果作為限制。

圖4 充電曲線

　　系統(tǒng)的控制部分使用C8051F121單片機[4]，用片上AD監(jiān)控超級電容的電壓確定其能量狀態(tài)，利用DS2760能實現(xiàn)對鋰電池的保護，以及對系統(tǒng)功耗和鋰電池能量狀態(tài)進行監(jiān)測。測得節(jié)點活動模式下功耗為48mA，查閱手冊，低功耗模式下功耗為35uA，根據(jù)公式（2），如果節(jié)點活動周期為1%，則平均功耗為（48mA+99×35uA）÷100，即為515uA。

　　根據(jù)各級能量內(nèi)存的能量大小狀態(tài)，利用微處理器控制能量內(nèi)存選擇開關(guān)以控制太陽能電池為能量內(nèi)存充電以及能量內(nèi)存為系統(tǒng)供電,控制流程如下：

　　a:啟動系統(tǒng)（電池供電）。

　　b:為主級能量內(nèi)存充電;

　　c:判斷主級能量內(nèi)存是否充滿;若充滿，則執(zhí)行步驟d;未充滿，則執(zhí)行步驟b;

　　d:由主級能量內(nèi)存為系統(tǒng)供電，并為次級能量內(nèi)存充電;

　　e:判斷次級能量內(nèi)存是否充滿：若充滿，則執(zhí)行步驟f;未充滿，則執(zhí)行步驟d;

　　f:為主級能量內(nèi)存充電，判斷電池是否需要補充能量;若需要，則執(zhí)行步驟g;不需要，則執(zhí)行步驟h;

　　g:為電池補充滿能量;

　　h:系統(tǒng)按上述步驟正常運轉(zhuǎn)。

　　仿真節(jié)點工作在1%的工作周期下，則節(jié)點處于低功耗模式的時間為99%，處于正常模式的時間為1%，進行供電實驗。在超級電容處于滿電量的情況下，測定供電時間，根據(jù)多次實驗，單級能量存儲裝置中的能量可供系統(tǒng)工作745分鐘。聯(lián)機調(diào)試，以1%的工作周期工作，系統(tǒng)平穩(wěn)工作兩天，初步證明系統(tǒng)可行。

　　4 結(jié)　語

　　提出并初步實現(xiàn)了一種利用環(huán)境能量給無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點永久提供能量的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 其創(chuàng)新點在于：巧妙利用了利用能量挖掘技術(shù)，從環(huán)境中挖掘能量，使節(jié)點具有能量補充的能力，避免了能量的單向遞減過程，并進一步結(jié)合能量管理、能量轉(zhuǎn)移以及能量存儲技術(shù)，從而在根本上解決節(jié)點的能量供給問題。

　　參考文獻

　　 [1] Joseph A. Paradiso, Thad Starner.“Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics”. Pervasive Computing, JANUARY–MARCH 2005.

　　[2]振動為無線傳感器供電.電子設(shè)計技術(shù)（EDN CHINA）, 2006，09.

　　[3]郭鵬，趙湛，方震，張玉國，分層復(fù)用WSNs節(jié)點及其軟件平臺設(shè)計，微計算機信息：嵌入式與SOC片上系統(tǒng)，2006，11，49-51

　　[4]潘琢金譯。C8051F120/1/2/3/4/5/6/7C8051F130/1/2/3 系列混合信號ISP FLASH 微控制器數(shù)據(jù)手冊[M]。2004，12。

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