無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源的解決方案

　　前言
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活、易實(shí)施、并可將傳感器放置在原先很難接近的地方，因此它的應(yīng)用前景十分誘人，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、工業(yè)、建筑業(yè)(建筑物與橋梁中嵌入式傳感器)、消費(fèi)電子和國防中。然而，新的技術(shù)又會(huì)引發(fā)新的問題，這主要是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題。傳感器節(jié)點(diǎn)是要長期工作的，經(jīng)常地更換電池既費(fèi)時(shí)、又費(fèi)力，在很多場(chǎng)合下也是不切實(shí)際的，它也不能像通常便攜式產(chǎn)品那樣經(jīng)常地充電。因此，尋找新的、適合無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用的電源勢(shì)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(fā)更有效的替代產(chǎn)品，這樣，一類能從周圍環(huán)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(jié)點(diǎn)對(duì)電源功率的要求
　　在介紹各種電源解決方案之前，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)不同，有它自己的特點(diǎn)：傳感器監(jiān)測(cè)溫度、壓力和生物功能參數(shù)，數(shù)據(jù)速率較低，網(wǎng)絡(luò)使用率也不高。表1列出了一些人體生理指標(biāo)的參數(shù)。這是計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的重要依據(jù)。

圖1 振動(dòng)型電磁發(fā)電器

圖2壓電晶體板發(fā)電裝置

圖3振動(dòng)式可變電容截面圖

　　眾所周知，無線傳感器節(jié)點(diǎn)是由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和RF收發(fā)器組成的。收發(fā)器是功耗大戶，假定節(jié)點(diǎn)間平均距離為10m，相應(yīng)無線發(fā)射器應(yīng)工作在0dbm水平，其峰值功率應(yīng)在2-3mW之間。使用超低功率技術(shù)，接收器功耗不會(huì)大于1mW。還有就是傳感器本身和信號(hào)調(diào)理電路的功耗。溫度和壓力兩種參數(shù)可以通過電阻上的電壓來測(cè)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(jì)。信號(hào)調(diào)理電路中主要是A/D變換器，據(jù)報(bào)道，現(xiàn)已研制成功一種0.5V、1mW的逐次近似ADC，其速率達(dá)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(duì)最大100kb/s無線數(shù)據(jù)率和每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均1kb/s通信負(fù)荷，以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)約1%的占空比，平均功耗只有50μW。節(jié)點(diǎn)不發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)際要消耗功率的電路是低速定時(shí)器、信道監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)同步電路，若采用先進(jìn)的“喚醒技術(shù)”和半同步信標(biāo)技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均“備用”功耗也在50μW左右。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均總功率要求為100μW。要是節(jié)點(diǎn)距離在1m左右，功耗還能進(jìn)一步降低。
　　耗能型電源
　　目前，無線設(shè)備常用的電源還是電池，首選漏電低、價(jià)廉而能量密度高的一次性電池。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，電池壽命至少要在一年以上，對(duì)應(yīng)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(shí)間。因而，雖然壽命有限、存在漏電、工作溫度會(huì)降低實(shí)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(dá)17.6KJ/CC。燃料電池工作溫度低、沒有運(yùn)動(dòng)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由電子和質(zhì)子，后者通過高分子薄膜后在陰極又氧化還原成水。已報(bào)道的功率水平高達(dá)47mW/cm2。
　　燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也在研發(fā)之中。這種新型熱發(fā)動(dòng)機(jī)采用新熱動(dòng)力學(xué)循環(huán)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過薄膜型壓電發(fā)生器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電功率。小型發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(chǎn)生電壓。這種發(fā)動(dòng)機(jī)完全可用微電子工藝制作，批量地生產(chǎn)。
　　集能型電源
　　集能型電源就是從周圍環(huán)境中提取能量而直接產(chǎn)生電能的裝置。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)環(huán)境中，有多種能量可以利用，如光、紅外輻射、電磁場(chǎng)、溫差、空氣流和振動(dòng)等。太陽能電池是一種絕佳的解決方案，也是一種相當(dāng)成熟、且與電子電路兼容的技術(shù)。目前可提供的功率水平已達(dá)幾mV/cm2。當(dāng)然，其缺點(diǎn)是傳感器必須有良好的光照，正確的取向和沒有障礙物，對(duì)實(shí)際應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)在10-2-103V/m之間。功率密度近似地為E2/Z。(E是感應(yīng)電壓，Z。＝377W是無線的自由空間阻抗)。對(duì)10V/m或1V/m感應(yīng)電壓，相應(yīng)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(yīng)電壓須為幾V/m。遣憾的是，即便在城市中也沒有如此強(qiáng)的環(huán)境輻射，除非在無線基站附近。
　　風(fēng)能也是一種普遍可以利用的動(dòng)力，科研人員研發(fā)了稱為壓電風(fēng)車的發(fā)電裝置，其工作原理是讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)使壓電晶體變形而產(chǎn)生電壓。研制的一個(gè)樣機(jī)是由10cm風(fēng)車和12層雙壓電晶體(60×20×0.5mm3)堆組成，壓電晶體安排成環(huán)狀或堆疊狀。風(fēng)帶動(dòng)螺旋漿旋轉(zhuǎn)，螺旋漿軸上的凸輪讓壓電晶體堆變形。5-10mph風(fēng)流可以產(chǎn)生5-10mW功率。這種電源對(duì)野外考察和地震檢測(cè)有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
　　振動(dòng)無處不在，這種微小的機(jī)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(yīng)用價(jià)值。從振動(dòng)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(dòng)的集能裝置是電磁MEMS諧振發(fā)電器。該裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1a所示，圖1b是它的示意圖。它的上下有4個(gè)磁性體，中間放置一個(gè)線圈，前者嵌置在硼硅酸玻璃基片刻蝕出的凹坑內(nèi)，線圈則位于懸臂型球拍狀的硅片上。線圈振動(dòng)感應(yīng)出電壓，產(chǎn)生的功率為：
　　P＝ma2Q/8ω
　　式中m是線圈慣性質(zhì)量，a是輸入加速度、ω是諧振頻率、Q是開路品質(zhì)因子。設(shè)計(jì)的硅板尺寸為3.7mm寬，3mm長，銅線圈是分立的，外徑2.4mm，內(nèi)徑0.6mm，質(zhì)量是0.028g。對(duì)固定加速度，產(chǎn)生的功率隨頻率而減少。此外，對(duì)微加工器件，Q值極大地取決于空氣的阻尼效應(yīng)，因此為了避免過多的損耗，發(fā)電器在真空中工作是必要的。按上式計(jì)算，假設(shè)1,000Q值和1KHz諧振頻率，9.81ms-2的加速度能產(chǎn)生52mW功率，其中有26mW可以耦合到有效負(fù)載上。
　　懸臂式振動(dòng)發(fā)電裝置亦進(jìn)行了大量的研究。圖2a是雙壓電板單懸臂式發(fā)電裝置示意圖。壓電晶體板一端固定，承受一定預(yù)負(fù)荷，另一端加一重物，維持?jǐn)[片質(zhì)量，在振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，壓電板獲得初始加速度，產(chǎn)生位移，變形，發(fā)電器就會(huì)提供交流電壓。電壓大小與壓電晶體的介電常數(shù)，彈性系數(shù)、耦合系數(shù)有關(guān)，也與外部振動(dòng)頻率和加速度有關(guān)，當(dāng)外部振蕩頻率與裝置的諧振頻率一致時(shí)，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(jié)構(gòu)(見圖2b)，兩端固定處加有軸向預(yù)負(fù)荷，重物放在中間，也可以有幾個(gè)重物分布在懸臂上。分析表明，對(duì)2.5m/s2、120Hz振動(dòng)源，1cm3設(shè)計(jì)能產(chǎn)生375mW功率。為了實(shí)現(xiàn)一體化集成的微型化傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)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(chǎn)生可用電壓；2)功率源的生長、制作和集成應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的微加工工藝；3)集成裝置的設(shè)計(jì)(帶最佳壓電晶體層)應(yīng)在周圍環(huán)境振動(dòng)的激勵(lì)下產(chǎn)生最大的輸出電壓。

表1人體傳感器數(shù)據(jù)速率

　　此外，還研制了一種微機(jī)械加工、機(jī)械－靜電功率發(fā)生器。這是繼上述兩種振動(dòng)能發(fā)電器后又一種提取方式，也是結(jié)構(gòu)比較簡單的一種方式。電磁發(fā)電器利用磁場(chǎng)能，與之對(duì)應(yīng)，靜電發(fā)電器利用靜電場(chǎng)能，器件的核心是一個(gè)可變電容器，外振動(dòng)力克服電容兩平板間形成的電場(chǎng)作用，將機(jī)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(dòng)的平板。高分子薄膜懸置在硅上頂板和石英基板之間，一個(gè)金塊置于薄膜上，產(chǎn)生有節(jié)奏的擺動(dòng)。可擺動(dòng)的薄膜上下擺動(dòng)至極端位置時(shí)與上、下兩個(gè)接觸柱連接，分別構(gòu)成輸入端與輸出端。與基板接觸柱連接時(shí)，電容最大同時(shí)充電；與硅片上接觸柱連接時(shí)，電容最小同時(shí)輸出功率。初步測(cè)量表明，可變電容可從100pf變化至約1pf。在10Hz振動(dòng)頻率下，工作在恒電荷模式時(shí)，電壓幾乎可增加百倍。若輸入電壓為26V，輸出電容高達(dá)2.3KV，相當(dāng)于能量變換率為每周期2.4mJ，或24mW。
　　結(jié)語
　　電源已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸，由此引發(fā)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(fù)雜問題。雖然目前首選的還是一次性電池，但是在很多場(chǎng)合下，從周圍環(huán)境中提取能量是最可行的方案。使用方案可視周圍環(huán)境而定，且取之不盡。在這些技術(shù)中，人們更加看好從振動(dòng)提取能量的電源裝置，并進(jìn)行了多方面的研發(fā)。隨著材料性能的提高和器件設(shè)計(jì)的改進(jìn)，隨著微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)展，完全有理由相信，最終實(shí)現(xiàn)一體化集成和自供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)。