無線傳感器節點電源的解決方案

　　前言
　　無線傳感器網絡靈活、易實施、并可將傳感器放置在原先很難接近的地方，因此它的應用前景十分誘人，可廣泛應用于生物醫療、工業、建筑業(建筑物與橋梁中嵌入式傳感器)、消費電子和國防中。然而，新的技術又會引發新的問題，這主要是無線傳感器節點的供電問題。傳感器節點是要長期工作的，經常地更換電池既費時、又費力，在很多場合下也是不切實際的，它也不能像通常便攜式產品那樣經常地充電。因此，尋找新的、適合無線傳感器節點使用的電源勢在必行。在諸多電源中，電池仍是人們的首選，主要是高能量密度的一次性電池，其主要限制是它的體積和成本。此外，人們也在研發更有效的替代產品，這樣，一類能從周圍環境中提取能量的能源裝置受到人們的青睞。本文主要介紹小型、低功率電源的解決方案。
　　傳感器節點對電源功率的要求
　　在介紹各種電源解決方案之前，對無線傳感器節點的功率要求作一些簡要的分析是十分必要的。無線傳感器網絡與通信網絡不同，有它自己的特點：傳感器監測溫度、壓力和生物功能參數，數據速率較低，網絡使用率也不高。表1列出了一些人體生理指標的參數。這是計算傳感器節點功耗的重要依據。

圖1 振動型電磁發電器

圖2壓電晶體板發電裝置

圖3振動式可變電容截面圖

　　眾所周知，無線傳感器節點是由傳感器、信號調理電路和RF收發器組成的。收發器是功耗大戶，假定節點間平均距離為10m，相應無線發射器應工作在0dbm水平，其峰值功率應在2-3mW之間。使用超低功率技術，接收器功耗不會大于1mW。還有就是傳感器本身和信號調理電路的功耗。溫度和壓力兩種參數可以通過電阻上的電壓來測量，其大小僅需克服電阻熱噪聲(≈10-20W/Hz，在室溫下)水平，功耗可以忽略不計。信號調理電路中主要是A/D變換器，據報道，現已研制成功一種0.5V、1mW的逐次近似ADC，其速率達4KC/S，已在我們要求之上。綜合以上分析，最大峰值功耗定為5mW是十分合理的。對最大100kb/s無線數據率和每個節點平均1kb/s通信負荷，以及每個節點約1%的占空比，平均功耗只有50μW。節點不發送/接收數據時，實際要消耗功率的電路是低速定時器、信道監測和節點同步電路，若采用先進的“喚醒技術”和半同步信標技術，每個節點平均“備用”功耗也在50μW左右。這樣，每個節點平均總功率要求為100μW。要是節點距離在1m左右，功耗還能進一步降低。
　　耗能型電源
　　目前，無線設備常用的電源還是電池，首選漏電低、價廉而能量密度高的一次性電池。對傳感器節點應用，電池壽命至少要在一年以上，對應于每μW約32J能量，鋰基電池可提供1,400-3,600J/CC能量，使用1CC原材料，電池原則上可工作幾年時間。因而，雖然壽命有限、存在漏電、工作溫度會降低實際使用壽命，一次性電池仍不失為一種非常有吸引力的功率源。
　　另一種選擇是采用燃料的電源，人們看中的是它具有極高的能量密度，例如甲醇的能量密度高達17.6KJ/CC。燃料電池工作溫度低、沒有運動部件。小型化電池是直接甲醇燃料電池，在這類器件中，甲醇與水在陽極進行化學反應，產生自由電子和質子，后者通過高分子薄膜后在陰極又氧化還原成水。已報道的功率水平高達47mW/cm2。
　　燃料發動機也在研發之中。這種新型熱發動機采用新熱動力學循環，將熱能轉換為機械能，再通過薄膜型壓電發生器將機械能轉換為電功率。小型發動機由充滿液體和氣體的汽缸組成，汽缸兩端用薄膜密封，其中之一就是壓電型薄膜。隨著汽缸中熱流的進出，氣泡的體積隨之膨脹與壓縮，作用在壓電薄膜上使它變形，從而產生電壓。這種發動機完全可用微電子工藝制作，批量地生產。
　　集能型電源
　　集能型電源就是從周圍環境中提取能量而直接產生電能的裝置。在無線傳感器節點環境中，有多種能量可以利用，如光、紅外輻射、電磁場、溫差、空氣流和振動等。太陽能電池是一種絕佳的解決方案，也是一種相當成熟、且與電子電路兼容的技術。目前可提供的功率水平已達幾mV/cm2。當然，其缺點是傳感器必須有良好的光照，正確的取向和沒有障礙物，對實際應用有一定的限制。
　　從電磁輻射中獲取能量也受到地域位置的限制。在VHF和UHF頻帶，小型無線能以合理效率工作的場強在10-2-103V/m之間。功率密度近似地為E2/Z。(E是感應電壓，Z。＝377W是無線的自由空間阻抗)。對10V/m或1V/m感應電壓，相應功率密度約為26mW/cm2或2.6mW/cm2。這就是說，想要成功地從周圍電磁輻射中獲取足夠的能量，無線感應電壓須為幾V/m。遣憾的是，即便在城市中也沒有如此強的環境輻射，除非在無線基站附近。
　　風能也是一種普遍可以利用的動力，科研人員研發了稱為壓電風車的發電裝置，其工作原理是讓風車的轉動使壓電晶體變形而產生電壓。研制的一個樣機是由10cm風車和12層雙壓電晶體(60×20×0.5mm3)堆組成，壓電晶體安排成環狀或堆疊狀。風帶動螺旋漿旋轉，螺旋漿軸上的凸輪讓壓電晶體堆變形。5-10mph風流可以產生5-10mW功率。這種電源對野外考察和地震檢測有實際的應用價值。
　　振動無處不在，這種微小的機械能在過去并不為人們所重視，然而卻在微功率源中有它的特殊應用價值。從振動提取能量的裝置有靜電的、電磁的和壓電的多種形式。一種利用振動的集能裝置是電磁MEMS諧振發電器。該裝置的基本結構如圖1a所示，圖1b是它的示意圖。它的上下有4個磁性體，中間放置一個線圈，前者嵌置在硼硅酸玻璃基片刻蝕出的凹坑內，線圈則位于懸臂型球拍狀的硅片上。線圈振動感應出電壓，產生的功率為：
　　P＝ma2Q/8ω
　　式中m是線圈慣性質量，a是輸入加速度、ω是諧振頻率、Q是開路品質因子。設計的硅板尺寸為3.7mm寬，3mm長，銅線圈是分立的，外徑2.4mm，內徑0.6mm，質量是0.028g。對固定加速度，產生的功率隨頻率而減少。此外，對微加工器件，Q值極大地取決于空氣的阻尼效應，因此為了避免過多的損耗，發電器在真空中工作是必要的。按上式計算，假設1,000Q值和1KHz諧振頻率，9.81ms-2的加速度能產生52mW功率，其中有26mW可以耦合到有效負載上。
　　懸臂式振動發電裝置亦進行了大量的研究。圖2a是雙壓電板單懸臂式發電裝置示意圖。壓電晶體板一端固定，承受一定預負荷，另一端加一重物，維持擺片質量，在振動的驅動下，壓電板獲得初始加速度，產生位移，變形，發電器就會提供交流電壓。電壓大小與壓電晶體的介電常數，彈性系數、耦合系數有關，也與外部振動頻率和加速度有關，當外部振蕩頻率與裝置的諧振頻率一致時，輸出功率最大。一般說來，諧振頻率的帶寬是比較窄的，為了拓寬諧振頻率的帶寬，可以做成兩端固定的懸臂結構(見圖2b)，兩端固定處加有軸向預負荷，重物放在中間，也可以有幾個重物分布在懸臂上。分析表明，對2.5m/s2、120Hz振動源，1cm3設計能產生375mW功率。為了實現一體化集成的微型化傳感器節點，對壓電材料性能和制作工藝提出了諸多要求：1)壓電材料有良好的晶體與界面性能，以便與生長基片和電極有良好的接觸，且有充分的材料性能來產生可用電壓；2)功率源的生長、制作和集成應符合標準的微加工工藝；3)集成裝置的設計(帶最佳壓電晶體層)應在周圍環境振動的激勵下產生最大的輸出電壓。

表1人體傳感器數據速率

　　此外，還研制了一種微機械加工、機械－靜電功率發生器。這是繼上述兩種振動能發電器后又一種提取方式，也是結構比較簡單的一種方式。電磁發電器利用磁場能，與之對應，靜電發電器利用靜電場能，器件的核心是一個可變電容器，外振動力克服電容兩平板間形成的電場作用，將機械能變換為可用的電能。可變電容的截面如圖3所示。石英基板上刻蝕成形的金屬膜與上面鍍銅的高分子材料薄膜分別形成電容的固定平板和可擺動的平板。高分子薄膜懸置在硅上頂板和石英基板之間，一個金塊置于薄膜上，產生有節奏的擺動。可擺動的薄膜上下擺動至極端位置時與上、下兩個接觸柱連接，分別構成輸入端與輸出端。與基板接觸柱連接時，電容最大同時充電；與硅片上接觸柱連接時，電容最小同時輸出功率。初步測量表明，可變電容可從100pf變化至約1pf。在10Hz振動頻率下，工作在恒電荷模式時，電壓幾乎可增加百倍。若輸入電壓為26V，輸出電容高達2.3KV，相當于能量變換率為每周期2.4mJ，或24mW。
　　結語
　　電源已成為無線傳感器網絡廣泛應用的主要瓶頸，由此引發了新一輪探索微型化、微功率電源的熱潮。分析表明：沒有單一能源可以解決這一復雜問題。雖然目前首選的還是一次性電池，但是在很多場合下，從周圍環境中提取能量是最可行的方案。使用方案可視周圍環境而定，且取之不盡。在這些技術中，人們更加看好從振動提取能量的電源裝置，并進行了多方面的研發。隨著材料性能的提高和器件設計的改進，隨著微電子技術和MEMS技術的不斷進展，完全有理由相信，最終實現一體化集成和自供電的無線傳感器節點的目標。