无线传感器网络节点能量供应系统设计

关键词：无线传感器网络;能量供给;节点;能量挖掘

Abstract: In all of the factors affecting the lifecycle of Wireless Sensor Networks （WSNs）, the most important one is the power of WSNs node. The node power consumption, environment and application all influence the WSNs node power supply greatly. This paper analyzes the current WSNs node power supply system based on energy scavenging and puts forward the improved WSNs node power supply system. Powering WSNs node perpetually using the energy in environment is realized.

Key Words：WSNs; power supply; node; energy scavenging

1 前言

　　无线传感器网络由于在战场环境监视、家庭安全及智能空间等领域有着广泛的应用前景，越来越多的受到研究人员的重视。但是，节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。无线网络传感器节点的能量供应系统应根据自身特点进行设计,传感器节点功耗较低，但功耗变化范围比较大。如果利用能量挖掘技术从环境中挖掘能量，使节点具有能量补充的能力，无线传感节点将避免能量的单向递减过程，这将从根本上解决节点的能量供给问题。

　　能量挖掘装置，可以挖掘各类能量。各种环境能源丰富程度不同，太阳能晴空直射条件下为100 mW/cm² [1]，此外，还有温差、振动等形式的能量。目前，已经有利用环境能量为无线传感器网络节点提供能量的系统的研究和开发。譬如，创业公司Perpetuum推出的PMG7微发电机，能从一个 100mg振动中产生高达5mW/3.3V的输出功率[2]。但是，利用振动能量使得节点只能布置在能经常产生振动的区域，使节点的布撒环境受到限制，另外，在间歇性的振动的条件下，系统也无法连续工作。

　　本文提出了一种基于太阳能的能量供给系统，该系统利用多级能量内存，结合能量管理与能量转移技术，使由太阳能电池采集到的能量得到合理的利用，从而构成具有自我管理能力的能量供给系统，实现了为无线节点永久性供电与无线传感网络无限使用的目的。

2 设计与分析

　　为了更好地解决传感器节点的能量供给问题，我们提出了基于太阳能的能量供给系统，由以下部分构成：能量挖掘装置，由太阳能电池板构成，负责将太阳能转化为电能;能量内存，包括主级能量内存和次级能量内存，由超级电容构成，负责存储太阳能电池采集到的能量，并为无线网络传感器节点供电;后备能量内存，由锂电池组成，是紧急情况下系统的能量来源;电源管理和控制部分，负责监控主级和次级能量内存和后备能量内存的能量大小状态，根据状态控制这些能量内存为系统供电，并且控制太阳能电池为能量内存补充能量。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统结构图

　　系统的主要操作模式是主级和次级能量内存存储收集到的环境能量并且给传感器节点供电，而后备能量内存作为一个紧急情况下可靠的后备电源，使系统能够在环境能量间歇的条件下很好地工作。

　　能量挖掘装置采用的太阳能电池，效率大约是16%-17%，在太阳直射情况下的输出功率约每平方厘米16-17毫瓦。如果通过选择满足系统电压要求的配置来确定电压，可以将环境能源作为一个电源模型：

　　Pe（t） = Punit（t） ＊ A （1）

　　其中，Punit（t）是单位面积单位电池板的能量，A是并联起来的电池板的数目或是面积。

　　虽然能量内存的容量是有限的，但是为了尽可能多地从环境中摄取能量，那么Pe（t）应该尽可能高。这样，在给能量内存补充足够的能量之后，可以让系统继续利用环境能量。但是，太阳能板的大小应该结合系统性能指针、体积大小以及成本等因素综合考虑。

　　主级能量内存和次级能量内存由超级电容构成。作为节点最主要的能量来源，需要存储能量挖掘装置挖掘的能量，所以它应该能够经受频繁的充放电，而电容恰恰可以满足这个性能要求，而且大容量的超级电容能构提供足够的容量，因此，选用电容作为主级和次级能量内存是最为理想的。

　　为了延长主能量内存的供电时间，应根据漏电流、能量消耗水平以及系统启动时间的要求，确定合适的电容容量。根据报导，22F的电容漏电流最小。结合系统成本、体积方面的要求，选择25F的超级电容作为能量存储元件，通过将两个超级电容串联以减小其漏电流。

　　后备能量内存由锂电池构成。锂电池的特点有：漏电流低，能量密度高，单节电池电压高，因此，选择锂电池构成后备能量内存。然而必须注意，它需要复杂的充电电路以防止对电池的有害效应。

　　传感器节点在活动模式下和休眠模式下的功耗差别很大，功耗决定于三个参数：活动时间占总时间的百分比D，活动模式下消耗的电流Ia，以及休眠模式下的电流Is。在大多数情况下，我们只对平均功耗P有兴趣（假设唤醒时间可以忽略）：

　　P = Vsup × （D × Ia + （1 − D） ×Is） （2）

　　以上公式表示， Ia, Is, Vsup和D都是影响系统功耗的因素，需要在实现时予以考虑。

3 方案实现

　　在传感器节点上实现能量供应系统，该系统与一种节点通过一个40针的接口连接[3]，如图2所示。系统采用一个60毫米×60毫米的太阳能电池板作为能量挖掘装置，它具有4.4V的输出电压;采用四个容量为25F的超级电容组成两级能量内存，每个有最大2.7V的额定电压;将两个超级电容串连起来作为一级能量内存，可以减小漏电流，并且与太阳能电池的输出4.4V匹配;采用容量为1120mAh、工作电压为3.7伏的锂电池作为后备能源。

图2 系统实物图

　　由两个25F电容串连构成的能量存储装置在漏电流的影响下测定的电压曲线如图3所示。测定时间范围为24小时，为了反映能量存储装置的总体趋势，采用分段线性的拟合方法，可以得出漏电流的变化规律如下：

　　    （3）

　　式中，V0为初始电压，单位为V，t为时间，单位为小时。

图3 漏电流曲线图

　　由以上可知，在24小时内，超级漏电流的影响必须予以考虑，由于漏电流而损失的能量无法被系统利用。

　　由太阳能为超级电容组成的能量存储装置充电，太阳能电池的充电能量与超级电容的容电能量必须匹配，即在通常光照条件下，太阳能电池能为两级能量存储装置充满电量。

　　图4为能量存储装置的充电时的电压曲线。根据测量的电压值进行拟合，可以得到能量存储装置的充电电压曲线。拟合所得方程如下：

　　    （4）

　　式中，A为中止充电时的电压，即太阳能电池提供的电压，为4.4，B,C两个系数表征了充电时的外部条件，如光照等，随外部条件不同，B,C会有变化。在这条曲线中，B为0.06348，C为2.17868，拟合度为99.766%，选择和能量内存匹配的太阳能电池必须以上述结果作为限制。

图4 充电曲线

　　系统的控制部分使用C8051F121单片机[4]，用片上AD监控超级电容的电压确定其能量状态，利用DS2760能实现对锂电池的保护，以及对系统功耗和锂电池能量状态进行监测。测得节点活动模式下功耗为48mA，查阅手册，低功耗模式下功耗为35uA，根据公式（2），如果节点活动周期为1%，则平均功耗为（48mA+99×35uA）÷100，即为515uA。

　　根据各级能量内存的能量大小状态，利用微处理器控制能量内存选择开关以控制太阳能电池为能量内存充电以及能量内存为系统供电,控制流程如下：

　　a:启动系统（电池供电）。

　　b:为主级能量内存充电;

　　c:判断主级能量内存是否充满;若充满，则执行步骤d;未充满，则执行步骤b;

　　d:由主级能量内存为系统供电，并为次级能量内存充电;

　　e:判断次级能量内存是否充满：若充满，则执行步骤f;未充满，则执行步骤d;

　　f:为主级能量内存充电，判断电池是否需要补充能量;若需要，则执行步骤g;不需要，则执行步骤h;

　　g:为电池补充满能量;

　　h:系统按上述步骤正常运转。

　　仿真节点工作在1%的工作周期下，则节点处于低功耗模式的时间为99%，处于正常模式的时间为1%，进行供电实验。在超级电容处于满电量的情况下，测定供电时间，根据多次实验，单级能量存储装置中的能量可供系统工作745分钟。联机调试，以1%的工作周期工作，系统平稳工作两天，初步证明系统可行。

4 结语

　　提出并初步实现了一种利用环境能量给无线网络传感器节点永久提供能量的系统的结构， 其创新点在于：巧妙利用了利用能量挖掘技术，从环境中挖掘能量，使节点具有能量补充的能力，避免了能量的单向递减过程，并进一步结合能量管理、能量转移以及能量存储技术，从而在根本上解决节点的能量供给问题。

参考文献

　　 [1] Joseph A. Paradiso, Thad Starner.“Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics”. Pervasive Computing, JANUARY–MARCH 2005.

　　[2]振动为无线传感器供电.电子设计技术（EDN CHINA）, 2006，09.

　　[3]郭鹏，赵湛，方震，张玉国，分层复用WSNs节点及其软件平台设计，微计算机信息：嵌入式与SOC片上系统，2006，11，49-51

　　[4]潘琢金译。C8051F120/1/2/3/4/5/6/7C8051F130/1/2/3 系列混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册[M]。2004，12。