近年來，無線傳感器節(jié)點 (WSN) 越來越受到關(guān)注。WSN 的主要優(yōu)點之一是它能夠持續(xù)監(jiān)控各種參數(shù)的數(shù)據(jù)。例如，這些傳感器用于水管系統(tǒng)以監(jiān)測流體和流量參數(shù)。WSN 的挑戰(zhàn)之一是其電源。它是一種電池供電的設(shè)備，一旦電池達到使用壽命，就需要更換或充電。因為 WSN 可以放置在遠(yuǎn)程位置，更換電池并不總是可行的。克服這一挑戰(zhàn)的現(xiàn)有方法是向 WSN 添加能量收集。能量收集器可以從環(huán)境中收集可用能量，例如機械能、熱能或光伏能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

WSN 如何運作？

通常，無線傳感器節(jié)點由四個主要組件組成：

電源

微控制器 (MCU)

通訊模塊

傳感器

該結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，用作傳感器節(jié)點的基本架構(gòu)。

圖 1：WSN 的架構(gòu)（來源：Mouser Electronics）

設(shè)計工程師試圖通過根據(jù)占空比對其操作進行編程來調(diào)節(jié) WSN 內(nèi)的功耗。這里傳感器節(jié)點持續(xù)處于低功耗模式（深度睡眠），并在短時間內(nèi)被激活以進行數(shù)據(jù)采集、計算、測量和通信。圖 2展示了這一工作原理。

圖 2：WSN 占空比圖（來源：貿(mào)澤電子）

平均而言，微控制器的睡眠功耗在 nW 范圍內(nèi)，而當(dāng)它處于活動模式時，功耗會增加到 μW 范圍。然而，活動模式并不是這里的主要功耗因素，因為這通常只發(fā)生很短的時間（毫秒）。睡眠電流是從電池中吸取大部分能量的主要來源。因此，在設(shè)計WSN時，選擇睡眠模式下超低功耗的MCU是必不可少的。

例如，德州儀器 ( Texas Instruments )提供超低功耗 MCU MSP430FR600x，非常適合超聲波水流測量。該 MCU 在活動模式下消耗約 120μA/MHz，在待機模式下消耗約 450nA。

另一個非常適合電池供電設(shè)備的產(chǎn)品示例是Silicon Labs EFM32PG22 MCU。它具有 76.8MHz ARM Cortex ? -M33 處理器，在活動模式下消耗 26μA/MHz。EFM32PG22 的睡眠電流約為 1.10μA，可低至 0.17μA。

通過能量收集延長 WSN 的使用壽命

兩種能量收集方法可延長 WSN 的使用壽命：

通過使用收集的能量為電池充電來延長電池壽命。

為此，需要一個電源管理電路來將收集到的能量存儲在電池或超級電容器中。電源管理電路由三個主要組件組成：整流、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和存儲。

整流：只有產(chǎn)生交流電壓的能量采集器才需要整流，例如電磁式和壓電式。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器：DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須調(diào)節(jié)能量采集器產(chǎn)生的電壓，并用它為電池充電。

存儲：使用能量存儲元件，例如可充電電池或超級電容器。

這種方法可以在e-peas DEMPV-BLE光伏物聯(lián)網(wǎng)演示套件上進行演示。DEMPV-BLE 是一種 WSN，其板載 35mm x 50mm 光伏太陽能電池。該套件可以測量光度、溫度和濕度，并通過低功耗藍牙( BLE ) 將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機。板載太陽能電池可為套件在室內(nèi)環(huán)境中運行提供足夠的能量。收集的能量存儲在一個 160mF 的超級電容器中，并且可以通過每 10 秒發(fā)送一次帶有新測量值的信標(biāo)消息來運行五個小時。

收集的能量直接用于為 WSN 組件供電，因此它變成了自供電。

這種方法將生成的能量直接提供給 WSN，無需存儲元件。該方法的唯一挑戰(zhàn)是確保收集的能量能夠覆蓋 WSN 的啟動功率和傳輸功率。讓我們在ON Semiconductor Zigbee Green Power Energy Harvesting Kit上對此進行解釋。系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。該套件具有開關(guān)形式的板載電磁發(fā)電機，可將產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能。每個開關(guān)按下都會為一個 33μF 電容器充電，該電容器為NCP170 供電低壓差（ LDO ） 。NCP170 然后為 NCS36510 發(fā)射器提供 3.3V 電源。然后電壓逐漸降低，直到 NCS36510 器件斷電。這導(dǎo)致該設(shè)備大約有 17 毫秒的可用運行時間。設(shè)備的啟動時間不到 5.6 毫秒，并且會立即傳輸一條消息。傳輸后，模塊切換到接收模式以偵聽來自接收器的 802.15.4 ACK（確認(rèn)）。一旦收到，無線電就會斷電。

圖 3：Zigbee Green Power 能量收集套件系統(tǒng)框圖（來源：On Semiconductor）

結(jié)論

我們在這里學(xué)到了什么？我們討論了一些可用的高能效 MCU，非常適合設(shè)計 WSN。此外，我們還展示了兩種不同類型的 WSN，它們可以通過能量收集來供電。一種方法是對為 WSN 供電的電池進行充電，另一種方法是 WSN 直接使用采集器產(chǎn)生的能量。決定為應(yīng)用程序使用哪個取決于您的應(yīng)用程序功耗。如果能量收集器可以覆蓋您應(yīng)用的功耗，那么無電池將節(jié)省時間和金錢。

審核編輯黃昊宇