無線傳感器網絡的能量供給

摘要：為那些偏遠分散的便攜式裝置提供能量有兩種方式：一種是小型長壽名電池，另一種是能量收集技術（energy harvesting techniques）

　　能量儲存（Power conservation）是數以百計的已應用于商業，工業，醫療，和以低的電耗和低的數據傳輸速度為特點的軍事領域中的無線傳感器網路中的一個重要組成環節，在沒有線性功率提供或著傳感器的節點是移動的無線傳感器網絡中，長壽命電池（5～10年）是必要的。因為傳感器網絡的理念（philosophy）是“無線無處不在”，此外，傳感器網絡節點的尺寸大小也非常關鍵。許多應用場合都要求傳感器網絡的節點大小不超過一枚硬幣（如圖一）。也就是說，即使是AA型電池也還是太大了，硬幣型電池是唯一的選擇。無線傳感器網路可以工作在低能耗狀態，一個3 VDC的硬幣電池可以為一個傳感器節點供電10年或者更久，當然這還取決于取樣率。

　　但事實上在很多無線傳感器網絡中，使用和替換電池，即便是長壽命型的電池，也是不切實際的。因為傳感器節點常被安裝在不可回收的位置，此外，更換數以百計電池的工作量和成本也是不可承受的。由于這些限制，系統的設計師和工程師們正在尋找一種可供選擇的長壽命的能量投遞方法運用到無線傳感器網絡中去。其中一種很受設計者關注的方法就是從周圍環境中的持續振動里獲取電能。從周圍環境的振動種獲取能量使無線傳感器網絡運作并在將來推出完全沒有電池的無線傳感器網絡是完全具有可行性的。潛在的應用領域包括設備狀態監測，高壓交流電監控，車輛輪胎的壓力和溫度監測以及飛機和輪船在出航前的潛在問題探測。因為這些捕獲裝置非常靈敏有效，即使是哪些人類幾乎無法察覺的振動也能夠被感應并產生電流。振動的輸入是以g為單位，g等于重力加速度。（人手可以察覺到0.02g的力敲擊桌子引起的振動）

　　能量捕獲裝置可以將其周圍環境里發生的28Hz，100mg的振動轉換為電能并以9.3mW的功率輸出。增加裝置的體積，其轉化的能量也能夠相應的增加。輸出功率能夠跟振動的頻率是線性關系，而跟振動的強度則是呈指數關系。當產生的電能不能夠立即被使用時，它們會被儲存在一個超級電容里。
　　另一個例子是Continuum Control Corp公司的ipower能量捕獲裝置（如圖2），能夠從機械振動，運動，沖擊中吸收能量并儲存，進而被無線傳感器網絡和其他電子裝置使用。這種工藝將轉換器和電路聯合到一個機械系統中去，建立一種將機械動能最大限度轉化為電能的方案，特別是將微小的振動轉化為可能的能量（如圖3）。

　　上述兩種技術都可以給無線傳感器網絡節點和其附屬傳感器供應足夠的能量，二者都是無線傳感器網絡能量供給的不錯選擇。

總結
　　采用從周圍環境中的機械振動中收集能量的方法幾乎可以給低功耗的無線傳感器網絡提供永久的能量供給。據保守估計，每年至少有數量達到數百萬套的無線傳感器設備出售，設備的供應商們必須保證他們的設備能夠同時支持電源線，電池供電以及環境能量收集技術。而這項兼容措施最終將會給無線傳感器網絡的使用者，設計者和工程師們更大的選擇空間。