無線傳感器節(jié)點電源的解決方案
前言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活、易實施、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)、消費電子和國防中。然而,新的技術(shù)又會引發(fā)新的問題,這主要是無線傳感器節(jié)點的供電問題。傳感器節(jié)點是要長期工作的,經(jīng)常地更換電池既費時、又費力,在很多場合下也是不切實際的,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)點使用的電源勢在必行。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)點對電源功率的要求
在介紹各種電源解決方案之前,對無線傳感器節(jié)點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：傳感器監(jiān)測溫度、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的參數(shù)。這是計算傳感器節(jié)點功耗的重要依據(jù)。
圖1 振動型電磁發(fā)電器
眾所周知,無線傳感器節(jié)點是由傳感器、信號調(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),接收器功耗不會大于1mW。還有就是傳感器本身和信號調(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。信號調(diào)理電路中主要是A/D變換器,據(jù)報道,現(xiàn)已研制成功一種0.5V、1mW的逐次近似ADC,其速率達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。對最大100kb/s無線數(shù)據(jù)率和每個節(jié)點平均1kb/s通信負荷,以及每個節(jié)點約1%的占空比,平均功耗只有50μW。節(jié)點不發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時,實際要消耗功率的電路是低速定時器、信道監(jiān)測和節(jié)點同步電路,若采用先進的“喚醒技術(shù)”和半同步信標技術(shù),每個節(jié)點平均“備用”功耗也在50μW左右。這樣,每個節(jié)點平均總功率要求為100μW。要是節(jié)點距離在1m左右,功耗還能進一步降低。
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、價廉而能量密度高的一次性電池。對傳感器節(jié)點應(yīng)用,電池壽命至少要在一年以上,對應(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間。因而,雖然壽命有限、存在漏電、工作溫度會降低實際使用壽命,一次性電池仍不失為一種非常有吸引力的功率源。
