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(diǎn)的能量是其中最為重要的。節(jié)點(diǎn)的功耗、布撒環(huán)境以及具體應(yīng)用等因素，都對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量供給有重大影響。本文分析了當(dāng)前基于能量挖掘的節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)系統(tǒng)，并提出了改進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能量供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用環(huán)境能量為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)永久供電。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);能量供給;節(jié)點(diǎn);能量挖掘 Abstract: In all of the factors affecting the lifecycle of Wireless Sensor Networks （WSNs）, the most important one is the power of WSNs node. The node power consumption, environment and application all influence the WSNs node power supply greatly. This paper analyzes the current WSNs node power supply system based on energy scavenging and puts forward the improved WSNs node power supply system. Powering WSNs node perpetually using the energy in environment is realized. Key Words：WSNs; power supply; node; energy scavenging 1 前言 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于在戰(zhàn)場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)的能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)具有能量補(bǔ)充的能力，無線傳感節(jié)點(diǎn)將避免能量的單向遞減過程，這將從根本上解決節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)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(jī)，能從一個(gè)100mg振動(dòng)中產(chǎn)生高達(dá)5mW/3.3V的輸出功率[2]。但是，利用振動(dòng)能量使得節(jié)點(diǎn)只能布置在能經(jīng)常產(chǎn)生振動(dòng)的區(qū)域，使節(jié)點(diǎn)的布撒環(huán)境受到限制，另外，在間歇性的振動(dòng)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(jí)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(shí)現(xiàn)了為無線節(jié)點(diǎn)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(jì)與分析 　　為了更好地解決傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能;能量內(nèi)存，包括主級(jí)能量內(nèi)存和次級(jí)能量內(nèi)存，由超級(jí)電容構(gòu)成，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(diǎn)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(fù)責(zé)監(jiān)控主級(jí)和次級(jí)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(bǔ)充能量。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　系統(tǒng)的主要操作模式是主級(jí)和次級(jí)能量內(nèi)存存儲(chǔ)收集到的環(huán)境能量并且給傳感器節(jié)點(diǎn)供電，而后備能量內(nèi)存作為一個(gè)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(gè)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(bǔ)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(jí)能量內(nèi)存和次級(jí)能量內(nèi)存由超級(jí)電容構(gòu)成。作為節(jié)點(diǎn)最主要的能量來源，需要存儲(chǔ)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(gè)性能要求，而且大容量的超級(jí)電容能構(gòu)提供足夠的容量，因此，選用電容作為主級(jí)和次級(jí)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(shí)間，應(yīng)根據(jù)漏電流、能量消耗水平以及系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的要求，確定合適的電容容量。根據(jù)報(bào)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(jí)電容作為能量存儲(chǔ)元件，通過將兩個(gè)超級(jí)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(diǎn)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(duì)電池的有害效應(yīng)。 　　傳感器節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)模式下和休眠模式下的功耗差別很大，功耗決定于三個(gè)參數(shù)：活動(dòng)時(shí)間占總時(shí)間的百分比D，活動(dòng)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(duì)平均功耗P有興趣（假設(shè)喚醒時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)予以考慮。 3 方案實(shí)現(xiàn) 　　在傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)能量供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與一種節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)40針的接口連接[3]，如圖2所示。系統(tǒng)采用一個(gè)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(gè)容量為25F的超級(jí)電容組成兩級(jí)能量內(nèi)存，每個(gè)有最大2.7V的額定電壓;將兩個(gè)超級(jí)電容串連起來作為一級(jí)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。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖[/align] 　　由兩個(gè)25F電容串連構(gòu)成的能量存儲(chǔ)裝置在漏電流的影響下測(cè)定的電壓曲線如圖3所示。測(cè)定時(shí)間范圍為24小時(shí)，為了反映能量存儲(chǔ)裝置的總體趨勢(shì)，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(shí)間，單位為小時(shí)。 [align=center] 圖3 漏電流曲線圖[/align] 　　由以上可知，在24小時(shí)內(nèi)，超級(jí)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(jí)電容組成的能量存儲(chǔ)裝置充電，太陽能電池的充電能量與超級(jí)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(jí)能量存儲(chǔ)裝置充滿電量。 　　圖4為能量存儲(chǔ)裝置的充電時(shí)的電壓曲線。根據(jù)測(cè)量的電壓值進(jìn)行擬合，可以得到能量存儲(chǔ)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(shí)的電壓，即太陽能電池提供的電壓，為4.4，B,C兩個(gè)系數(shù)表征了充電時(shí)的外部條件，如光照等，隨外部條件不同，B,C會(huì)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。 [align=center] 圖4 充電曲線[/align] 　　系統(tǒng)的控制部分使用C8051F121單片機(jī)[4]，用片上AD監(jiān)控超級(jí)電容的電壓確定其能量狀態(tài)，利用DS2760能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的保護(hù)，以及對(duì)系統(tǒng)功耗和鋰電池能量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)得節(jié)點(diǎn)活動(dòng)模式下功耗為48mA，查閱手冊(cè)，低功耗模式下功耗為35uA，根據(jù)公式（2），如果節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期為1%，則平均功耗為（48mA+99×35uA）÷100，即為515uA。 　　根據(jù)各級(jí)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(dòng)系統(tǒng)（電池供電）。 　　b:為主級(jí)能量內(nèi)存充電; 　　c:判斷主級(jí)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(jí)能量內(nèi)存為系統(tǒng)供電，并為次級(jí)能量內(nèi)存充電; 　　e:判斷次級(jí)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(jí)能量內(nèi)存充電，判斷電池是否需要補(bǔ)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(bǔ)充滿能量; 　　h:系統(tǒng)按上述步驟正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　仿真節(jié)點(diǎn)工作在1%的工作周期下，則節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式的時(shí)間為99%，處于正常模式的時(shí)間為1%，進(jìn)行供電實(shí)驗(yàn)。在超級(jí)電容處于滿電量的情況下，測(cè)定供電時(shí)間，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，單級(jí)能量存儲(chǔ)裝置中的能量可供系統(tǒng)工作745分鐘。聯(lián)機(jī)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(shí)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(diǎn)永久提供能量的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 其創(chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)具有能量補(bǔ)充的能力，避免了能量的單向遞減過程，并進(jìn)一步結(jié)合能量管理、能量轉(zhuǎn)移以及能量存儲(chǔ)技術(shù)，從而在根本上解決節(jié)點(diǎn)的能量供給問題。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Joseph A. Paradiso, Thad Starner.“Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics”. Pervasive Computing, JANUARY–MARCH 2005. 　　[2]振動(dòng)為無線傳感器供電.電子設(shè)計(jì)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(diǎn)及其軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，微計(jì)算機(jī)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(hào)ISP FLASH 微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]。2004，12。