自主式传感器系统的能量收集——设计、分析以及实践应用
发布时间：2014-5-29 12:11
发布者：dgdz2013
关键词：
传感器
关于本书 随着无线通信技术，传感器，驱动器以及高度集成的微电子技术的飞速发展，无线传感器网络（WSN）备受广泛的关注。通过对物理环境的监测和控制，尤其是一些偏远地区，这里的物理环境通常是指人为难以到达或很危险的地区，WSN显示出独特的优越性。WSN的出现是有线传感器的重大突破，大大减少了电路通信电缆以及相关安装及维护的费用。针对工程系统的实时信息要求，WSN的应用是非常宽泛的，如从智能控制系统到医疗卫生系统，环境控制系统，等等。随着硬件电路变得既便宜又小型化，出现了越来越多的WSN应用，特别是这些小型的无线传感器节点为电子系统提供了机遇，为了实现“忘记部署”的场景，将这些小型的无线传感器节点悄无声息地嵌入日常用品中。 在WSN中大量的自主式传感器节点由电池提供电能，而这些电池对于节点的运行是必需的。电池占据了整个节点尺寸的显著部分和整个系统的大部分重量。而且，它们也是系统中最薄弱的连接也是最昂贵的部分。电池自身的维护，如电池的更换或再充电，也是另外一个要考虑的重要因素。当成百上千个传感器节点工作时，所需要的电池数也很可观，这成为WSN的一个很严重的局限。目前已报道的电池存储的最高电能是3.78kJ/cm3[1],这意味着一个超低功率的体积为1 cm3的小型无线传感器节点工作10年平均消耗的电能为100μW，它需要体积为10 cm3的电池。因此，能量供给是传感器节点寿命的主要瓶颈之一，而能量也受限于电池的尺寸。 WSN“忘记部署”的特点其主要缺陷在于有限的存储容量，以及不可预测的电池寿命。为了克服这些问题，能量收集（EH）/采集技术从各种不同的能源中收集/采集能量，并将它们转化为电能为电池充电，该技术已成为一种非常有前景的技术。随着微电子技术的杰出发展，传感器节点的功率需求从几十毫瓦一直降低到几十微瓦。从传统的仅依赖于电池的WSN转变为真正自主且可再生能源收集的无线传感器网络（EH-WSN），能源收集技术为这一范式转变铺平了道路。在本书中调查并研究了不同类型的EH系统和它们主要的组成部分（例如能量收集器[源]，功率管理电路，能量存储设备，和无线传感器节点[负载]）。基于风能收集（WEH），热能收集（TEH），振动能收集（VEH）,太阳能收集（SEH），混合能量收集（HEH），磁能EH，这些EH系统设计符合周围环境和事件/任务的需求，然后落实到硬件原型并对其概念进行证明。为了优化这些EH系统，介绍了一些不同类型的基于电功率的管理电路，例如有源交流-直流转换器（AC-DC），具有最大功率点跟踪（MPPT）的DC-DC转换器，能量存储和锁存电路。 与任何常见的可再生能源一样，WEH针对于较高功率（大于几兆瓦）的应用做了广泛的研究。然而，文献关于小型WEH所作的研究并不多，这些小规模的WEH通常用在功率较小的无线传感器中。小型WEH系统具有输出电压幅度低和所收集的功率较低的问题；因此它们严重限制了WEH无线传感器节点的电路设计。为了克服上述提到的问题，有必要提出一种优化的WEH系统。优化的WEH系统适用于超低功率管理电路，其具有两个明显的特征：（1）使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的有源整流器，用于整流风力涡轮发电机（WTG）在低风速条件下产生的较低幅度的交流电压。（2）DC-AC升压转换器与仿真电阻算法在不同的风速条件下以执行MPPT机制。与传统的二极管桥式整流器相比，由于每对MOSFET的通态压降（从0.6V下降到0.15V）明显下降，则有源整流器的效率从40%增加到70%。实施基于仿真电阻的低功率微控制器与闭环电阻反馈控制以确保电源和负载之间的阻抗匹配，从而提高功率转化的效率。从获得的实验结果得出，优化的WEH系统在平均风速为3.62m/s时收集的电功率平均值是7.86 mW，这几乎是传统的不采用MPPT的EH系统的四倍。 由于应用中受到空间的限制，WEH系统要求尽可能的小且携带方便，像这种传统的，大型的且体积庞大的WTG已经不再适合。同样地，提出一种新的方法收集风能，即采用压电材料-锆钛酸铅（PZT）。PZT整体与WTG相比，它的尺寸非常小。基于压电的风能收集器收集的能源首先积累并存储到电容器中，直到存储的能量足以供给传感器节点为止；然后启动触发信号，将电容器存储的能量释放到风速传感器节点中。实验结果显示，存储的917μJ电能用于暴雨检测系统以检测风速是否超过特定门限值6.7m/s而发出早期警报。 在一些地方风能并不是必需的。目前，从具有低温差的环境热源中收集能量（TEH）受到了广泛关注，但是由于温度的波动性，导致TEH具有能量转换效率低，不一致性，较低的输出功率和成本高的挑战。为了补充THE机制，提出一种高效的功率管理电路使得热能源到与之相连接负载的功率传输最大化，这对于大范围的运行环境是适宜的。在这项研究中，为优化的THE机制介绍DC-DC的降压转换器与基于仿真电阻的最大功率点跟踪（MPPT）器，以此维持无线传感器节点的运行。从实验测试的结果可以得出，由优化的THE系统在平均温度差为20K的条件下收集的电功率平均值是629μW，这几乎比传统的不使用MPPT机制的EH方法足足提高了两倍。 在住宅楼和工业建筑里布线和墙上安装控制开关成为一件麻烦事，而且会产生较高的安装成本。随着时间的推移，重新布线也可能产生电缆故障。为了克服这个问题，介绍一种无电池和无线远程控制器，即用无线的方式控制电子装置，如电灯和风扇的开/关。在这项研究中介绍了两种类型的基于压电的VEH系统，用它们收集人类按下按钮或开关的冲击力：（1）压电按钮点火器；（2）预应力压电隔膜材料，将产生的电能存储在电容器中。一旦收集到足够的能源，就为无电池且无线的远程控制器的运行供电。 EH系统本身具有固有的缺点：环境能源的间歇性。由于在很长一段时间内环境能源的不可用性，使得无线传感器节点运行的可靠性受到影响。为了增加无线传感器节点运行的可靠性，研究了两种类型的HEH方法。已经提出的WEH和SHE混合机制能够同时收集这两种能源，从而大大延长了传感器节点的寿命。但是将这两个不同特性的能源结合在一起时，必然产生两个不同源和负载之间的阻抗不匹配问题。因此，每个能源都有自己的功率管理单元，在各自的MPP上运行。WEH子系统使用仿真电阻技术，而SHE子系统运行时使用恒定电压技术。实验结果显示，在平均风速为4m/s，以及平均太阳辐射照度为80W/m2的条件下, 优化的HEH系统收集的平均电功率是22.5 mW，这几乎高于基于信风能源的三倍。 在HEH的其他研究中，提出将室内环境光与从两个能源收集的输出功率相结合，并使用一个功率管理电路的THE机制，从而延长无线传感器节点的寿命。针对多个能源，通过避免单个功率管理电路的使用，使得在HEH系统的组件数量减少，因此系统的形状系数，成本，功率损耗降低。将基于高效的微处理器的超低功率管理电路与基于恒定参考电压的MPPT在闭环电压反馈控制上同时实施，在宽泛的运行环境下，以确保邻近的最大功率从两个能源到与其相关的负载上传输。从实验结果可以看出，优化的HEH系统在平均室内太阳辐射照度为1010lux和热梯度为10 K的情况下，收集的平均电功率是621μW，这几乎是传统的基于信风能源所获得功率的三倍。 除了EH，本项研究也证明了另一种方法，即通过无线功率传输（WPT）机制为低功率的电子设备供电。WPT机制采用电感耦合的概念（即收集杂散磁场的能量，无需任何物理连接，在电源线上传输电功率）。在电源线上的交流电压和电流分别是230V和1～4A。实验结果显示，磁场能量收集器能够从电源线上收集685μJ的电能为射频发射机供电，该发射机以无线方式发送10个12位数字编码数据包到远程基站。为了延长WPT的距离，证明自谐振线圈以一种强耦合方式运行。实验结果显示WPT系统输出的功率是1W,效率为51%，可以为相距20cm的小灯泡供电。 直到这个阶段，提出的EH原型概念已经得到证明。研究EH系统在无线传感器供电过程中的特性，并在实验室用不同的运行环境对其进行测试。此外，根据它们的设计应用进一步对EH原型进行优化。然而，现实中部署区域的环境条件并不像实验室那样理想。因此，在未来的工作中，EH研究的下一阶段将其实施到一系列的具体应用中，试图评估出EH系统在很长一段时间内现实部署环境下的性能。为了EH机制的成功应用，将介绍关于能源损耗的整体系统的优化，包括WSN在整个链条（即，从感知环境参数到可靠地传输和传递已感知的参数）中的循环运行。这部分的研究超出了本书的范畴，因此在以后的工作中再做这方面的研究。 |
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