摘  要：在影響無線傳感器網絡的生命周期的眾多因素中，節點的能量是其中最為重要的。節點的功耗、布撒環境以及具體應用等因素，都對節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點能量供應系統，并提出了改進的無線網絡傳感器能量供應系統，實現了利用環境能量為無線網絡傳感器節點永久供電。

關鍵詞：無線傳感器網絡;能量供給;節點;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

　　無線傳感器網絡由于在戰場環境監視、家庭安全及智能空間等領域有著廣泛的應用前景，越來越多的受到研究人員的重視。但是，節點的能量成為無線傳感器網絡發揮效能的瓶頸。無線網絡傳感器節點的能量供應系統應根據自身特點進行設計,傳感器節點功耗較低，但功耗變化范圍比較大。如果利用能量挖掘技術從環境中挖掘能量，使節點具有能量補充的能力，無線傳感節點將避免能量的單向遞減過程，這將從根本上解決節點的能量供給問題。

　　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，已經有利用環境能量為無線傳感器網絡節點提供能量的系統的研究和開發。譬如，創業公司Perpetuum推出的PMG7微發電機，能從一個 100mg振動中產生高達5mW/3.3V的輸出功率[2]。但是，利用振動能量使得節點只能布置在能經常產生振動的區域，使節點的布撒環境受到限制，另外，在間歇性的振動的條件下，系統也無法連續工作。

　　本文提出了一種基于太陽能的能量供給系統，該系統利用多級能量內存，結合能量管理與能量轉移技術，使由太陽能電池采集到的能量得到合理的利用，從而構成具有自我管理能力的能量供給系統，實現了為無線節點永久性供電與無線傳感網絡無限使用的目的。

2 設計與分析

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

圖1 系統結構圖

　　系統的主要操作模式是主級和次級能量內存存儲收集到的環境能量并且給傳感器節點供電，而后備能量內存作為一個緊急情況下可靠的后備電源，使系統能夠在環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電壓要求的配置來確定電壓，可以將環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是并聯起來的電池板的數目或是面積。

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

　　主級能量內存和次級能量內存由超級電容構成。作為節點最主要的能量來源，需要存儲能量挖掘裝置挖掘的能量，所以它應該能夠經受頻繁的充放電，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提供足夠的容量，因此，選用電容作為主級和次級能量內存是最為理想的。

　　為了延長主能量內存的供電時間，應根據漏電流、能量消耗水平以及系統啟動時間的要求，確定合適的電容容量。根據報導，22F的電容漏電流最小。結合系統成本、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以減小其漏電流。

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

　　傳感器節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：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。在大多數情況下，我們只對平均功耗P有興趣（假設喚醒時間可以忽略）：

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

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

3 方案實現

　　在傳感器節點上實現能量供應系統，該系統與一種節點通過一個40針的接口連接[3]，如圖2所示。系統采用一個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 系統實物圖

　　由兩個25F電容串連構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，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%，選擇和能量內存匹配的太陽能電池必須以上述結果作為限制。

圖4 充電曲線

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

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

　　a:啟動系統（電池供電）。

　　b:為主級能量內存充電;

　　c:判斷主級能量內存是否充滿;若充滿，則執行步驟d;未充滿，則執行步驟b;

　　d:由主級能量內存為系統供電，并為次級能量內存充電;

　　e:判斷次級能量內存是否充滿：若充滿，則執行步驟f;未充滿，則執行步驟d;

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

　　g:為電池補充滿能量;

　　h:系統按上述步驟正常運轉。

　　仿真節點工作在1%的工作周期下，則節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，根據多次實驗，單級能量存儲裝置中的能量可供系統工作745分鐘。聯機調試，以1%的工作周期工作，系統平穩工作兩天，初步證明系統可行。

4 結語

　　提出并初步實現了一種利用環境能量給無線網絡傳感器節點永久提供能量的系統的結構， 其創新點在于：巧妙利用了利用能量挖掘技術，從環境中挖掘能量，使節點具有能量補充的能力，避免了能量的單向遞減過程，并進一步結合能量管理、能量轉移以及能量存儲技術，從而在根本上解決節點的能量供給問題。

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.電子設計技術（EDN CHINA）, 2006，09.

　　[3]郭鵬，趙湛，方震，張玉國，分層復用WSNs節點及其軟件平臺設計，微計算機信息：嵌入式與SOC片上系統，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 微控制器數據手冊[M]。2004，12。