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

图2压电晶体板发电装置

图3振动式可变电容截面图

　　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(60×20×0.5mm3)堆组成，压电晶体安排成环状或堆叠状。风带动螺旋浆旋转，螺旋浆轴上的凸轮让压电晶体堆变形。5-10mph风流可以产生5-10mW功率。这种电源对野外考察和地震检测有实际的应用价值。
　　振动无处不在，这种微小的机械能在过去并不为人们所重视，然而却在微功率源中有它的特殊应用价值。从振动提取能量的装置有静电的、电磁的和压电的多种形式。一种利用振动的集能装置是电磁MEMS谐振发电器。该装置的基本结构如图1a所示，图1b是它的示意图。它的上下有4个磁性体，中间放置一个线圈，前者嵌置在硼硅酸玻璃基片刻蚀出的凹坑内，线圈则位于悬臂型球拍状的硅片上。线圈振动感应出电压，产生的功率为：
　　P＝ma2Q/8ω
　　式中m是线圈惯性质量，a是输入加速度、ω是谐振频率、Q是开路品质因子。设计的硅板尺寸为3.7mm宽，3mm长，铜线圈是分立的，外径2.4mm，内径0.6mm，质量是0.028g。对固定加速度，产生的功率随频率而减少。此外，对微加工器件，Q值极大地取决于空气的阻尼效应，因此为了避免过多的损耗，发电器在真空中工作是必要的。按上式计算，假设1,000Q值和1KHz谐振频率，9.81ms-2的加速度能产生52mW功率，其中有26mW可以耦合到有效负载上。
　　悬臂式振动发电装置亦进行了大量的研究。图2a是双压电板单悬臂式发电装置示意图。压电晶体板一端固定，承受一定预负荷，另一端加一重物，维持摆片质量，在振动的驱动下，压电板获得初始加速度，产生位移，变形，发电器就会提供交流电压。电压大小与压电晶体的介电常数，弹性系数、耦合系数有关，也与外部振动频率和加速度有关，当外部振荡频率与装置的谐振频率一致时，输出功率最大。一般说来，谐振频率的带宽是比较窄的，为了拓宽谐振频率的带宽，可以做成两端固定的悬臂结构(见图2b)，两端固定处加有轴向预负荷，重物放在中间，也可以有几个重物分布在悬臂上。分析表明，对2.5m/s2、120Hz振动源，1cm3设计能产生375mW功率。为了实现一体化集成的微型化传感器节点，对压电材料性能和制作工艺提出了诸多要求：1)压电材料有良好的晶体与界面性能，以便与生长基片和电极有良好的接触，且有充分的材料性能来产生可用电压；2)功率源的生长、制作和集成应符合标准的微加工工艺；3)集成装置的设计(带最佳压电晶体层)应在周围环境振动的激励下产生最大的输出电压。

表1人体传感器数据速率

　　此外，还研制了一种微机械加工、机械－静电功率发生器。这是继上述两种振动能发电器后又一种提取方式，也是结构比较简单的一种方式。电磁发电器利用磁场能，与之对应，静电发电器利用静电场能，器件的核心是一个可变电容器，外振动力克服电容两平板间形成的电场作用，将机械能变换为可用的电能。可变电容的截面如图3所示。石英基板上刻蚀成形的金属膜与上面镀铜的高分子材料薄膜分别形成电容的固定平板和可摆动的平板。高分子薄膜悬置在硅上顶板和石英基板之间，一个金块置于薄膜上，产生有节奏的摆动。可摆动的薄膜上下摆动至极端位置时与上、下两个接触柱连接，分别构成输入端与输出端。与基板接触柱连接时，电容最大同时充电；与硅片上接触柱连接时，电容最小同时输出功率。初步测量表明，可变电容可从100pf变化至约1pf。在10Hz振动频率下，工作在恒电荷模式时，电压几乎可增加百倍。若输入电压为26V，输出电容高达2.3KV，相当于能量变换率为每周期2.4mJ，或24mW。
　　结语
　　电源已成为无线传感器网络广泛应用的主要瓶颈，由此引发了新一轮探索微型化、微功率电源的热潮。分析表明：没有单一能源可以解决这一复杂问题。虽然目前首选的还是一次性电池，但是在很多场合下，从周围环境中提取能量是最可行的方案。使用方案可视周围环境而定，且取之不尽。在这些技术中，人们更加看好从振动提取能量的电源装置，并进行了多方面的研发。随着材料性能的提高和器件设计的改进，随着微电子技术和MEMS技术的不断进展，完全有理由相信，最终实现一体化集成和自供电的无线传感器节点的目标。