无线传感器节点电源的解决方案
前言
无线传感器网络灵活、易实施、并可将传感器放置在原先很难接近的地方,因此它的应用前景十分诱人,可广泛应用于生物医疗、工业、建筑业(建筑物与桥梁中嵌入式传感器)、消费电子和国防中。然而,新的技术又会引发新的问题,这主要是无线传感器节点的供电问题。传感器节点是要长期工作的,经常地更换电池既费时、又费力,在很多场合下也是不切实际的,它也不能像通常便携式产品那样经常地充电。因此,寻找新的、适合无线传感器节点使用的电源势在必行。在诸多电源中,电池仍是人们的首选,主要是高能量密度的一次性电池,其主要限制是它的体积和成本。此外,人们也在研发更有效的替代产品,这样,一类能从周围环境中提取能量的能源装置受到人们的青睐。本文主要介绍小型、低功率电源的解决方案。
传感器节点对电源功率的要求
在介绍各种电源解决方案之前,对无线传感器节点的功率要求作一些简要的分析是十分必要的。无线传感器网络与通信网络不同,有它自己的特点：传感器监测温度、压力和生物功能参数,数据速率较低,网络使用率也不高。表1列出了一些人体生理指标的参数。这是计算传感器节点功耗的重要依据。
图1 振动型电磁发电器
众所周知,无线传感器节点是由传感器、信号调理电路和RF收发器组成的。收发器是功耗大户,假定节点间平均距离为10m,相应无线发射器应工作在0dbm水平,其峰值功率应在2-3mW之间。使用超低功率技术,接收器功耗不会大于1mW。还有就是传感器本身和信号调理电路的功耗。温度和压力两种参数可以通过电阻上的电压来测量,其大小仅需克服电阻热噪声(≈10-20W/Hz,在室温下)水平,功耗可以忽略不计。信号调理电路中主要是A/D变换器,据报道,现已研制成功一种0.5V、1mW的逐次近似ADC,其速率达4KC/S,已在我们要求之上。综合以上分析,最大峰值功耗定为5mW是十分合理的。对最大100kb/s无线数据率和每个节点平均1kb/s通信负荷,以及每个节点约1%的占空比,平均功耗只有50μW。节点不发送/接收数据时,实际要消耗功率的电路是低速定时器、信道监测和节点同步电路,若采用先进的“唤醒技术”和半同步信标技术,每个节点平均“备用”功耗也在50μW左右。这样,每个节点平均总功率要求为100μW。要是节点距离在1m左右,功耗还能进一步降低。
耗能型电源
目前,无线设备常用的电源还是电池,首选漏电低、价廉而能量密度高的一次性电池。对传感器节点应用,电池寿命至少要在一年以上,对应于每μW约32J能量,锂基电池可提供1,400-3,600J/CC能量,使用1CC原材料,电池原则上可工作几年时间。因而,虽然寿命有限、存在漏电、工作温度会降低实际使用寿命,一次性电池仍不失为一种非常有吸引力的功率源。
