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能源采集和存储过程中的无线传感器网络

导读: 如果我们周围的系统能够自己检测其环境变化并做出反应,这毫无疑问会彻底改变我们的生活。无线传感器网络就是这样一个系统,系统中的一些分布式传感器实施(节点)通过无线方式相互通信,共同对物理刺激做出响应。本文概述了节点的一些最新发展情况,帮助您了解系统级的设计方法。

  如果我们周围的系统能够自己检测其环境变化并做出反应,这毫无疑问会彻底改变我们的生活。无线传感器网络就是这样一个系统,系统中的一些分布式传感器实施(节点)通过无线方式相互通信,共同对物理刺激做出响应。本文概述了节点的一些最新发展情况,帮助您了解系统级的设计方法。

  图1显示了一个实例网络以及每个节点的子系统。基于易于部署和更低安装成本方面的考虑,各个节点都要求能够以无线方式通信。为了降低通信开销和缩短响应时间,我们希望节点能够本地处理传感器数据,并可以控制传动器。对大量的节点进行日常维护(例如:电池更换等),其成本可能会极其的高。理想的情况是仅依靠存储/采集能源传感器便可持续工作数年时间。

 

  能源采集和存储过程中的无线传感器网络(电子工程专辑)

  图1:传感器节点通过采集能源供电,自主判断其环境变化情况,并可利用多种协议进行通信。

 

  传感器、无线电设备和微控制器(MCU)的选择取决于具体的应用性质。本文重点介绍办公环境下的传感器网络,其面向的应用包括能源管理、安全或者资源规划等。

 

  能源与存储

 

  光能通常是室内环境下存在最多的一种环境能源形式。现代的一些太阳能电池(由非晶硅制成),在一个200 lux荧光灯光源的照射下,可产生约5μW/cm2。表1列举出了能源获取速率的估计值,其表明一块 10 cm2 太阳能电池可产生 70–120μW。

 

  能源采集和存储过程中的无线传感器网络(电子工程专辑)

  表1:一般室内荧光灯照明环境下的能源获取速率近似值

 

  微型热发电机利用一定的温度梯度来产生电能。但要产生15μW/cm3 的功率密度,热采集器需要约10℃的热梯度。许多应用环境,特别是室内环境,都没有较大幅度的温度波动。因此,热采集器的适用性受限于这些环境。

  当今的一些振动能源采集器,需要约1.75–2.00 g的加速度(室内环境一般没有这么大的量级)来产生60微瓦的功率。

  能量存储的板上容量非常有限,而采集环境能源的机会也很有限,因此需要传感器非常节省地使用能源。例如,电池容量为100 mAh的一块太阳能电池获得70 uW,便可为10年的节点使用寿命提供一半时间的供电。该节点必须让其各子系统工作,且平均功耗不得高于39 uW。

 

  节点子系统

 

  MCU、无线电设备、传感器和传动器具有极为不同的功耗/性能特性。要想满足系统功耗预算,要求传感器节点以最佳的方式管理其子系统。图1显示了用于实现一个节点的一些子系统。

  现代的一些低功耗MCU工作在约1MHz时钟频率下时,其峰值功耗约为345μW。假设传感器数据处理要求一般为中等,MCU的占空比可以极小(例如:小于1%),以降低平均功耗。

  传感器节点通常以相对较低的速率,传送物理现象和相关控制消息等信息。表2总结了一些重要低功耗无线通信技术的显著特性。

 

  能源采集和存储过程中的无线传感器网络(电子工程专辑)

  表2:一些低功耗通信架构比较

 

  表2列举的功耗量,仅作为系统设计的一般指导原则。随着收发器设计的发展,其功耗越来越低。选择某种收发器构架时,考虑设计的各个方面很重要。无线局域网(LAN)收发器比Zigbee收发器消耗更少的能源/比特,但其针对更高的数据速率进行了优化,峰值功耗更高。

  与室内应用相关的一些传感器实例包括:温度计、温度传感器、麦克风和被动式红外传感器。现在的一些温度及湿度传感器和麦克风,峰值功耗约为70–80μW。能够探测人类活动的一些被动式红外传感器的峰值功耗一般为100–500μW。温度及湿度传感器监测缓慢变化的现象,并且工作在低占空比下,而用于探测运动的其它一些传感器关闭则会降低探测性能。在许多应用中,传感器需要比数据处理或者无线通信更多的能源。因此,满足系统功耗预算,要求使用创新的方法来管理传感器。

 

  结论

 

  尽管在计算、通信和传感方面都有了巨大的进步,但是缺乏足够的电源和能源,这仍然是摆在实现无线传感器网络面前的一个严峻挑战。能源采集和存储的一些技术进步在不断的缓解电源瓶颈,但终端应用的一些需求也在不断推高其要求。若想拉近这种持续存在的电源-需求差距,要求一种系统级的设计方法,对性能进行最佳的折中处理,以实现节能目的,同时保证最低限度的服务质量。未来的无线传感器节点,将会自主适应随时间变化的应用需求和能源供应。

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