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无线传感器节点的低功率电源转换方案

导读: 无线传感器节点(WSN)基本上是一个独立的系统,它由一些换能器组成,能将环境能源转换成电信号,其后跟着的通常是DC/DC转换器和管理器,以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。

  我们周围有大量环境能源,传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过,新的收集工具允许我们用种类繁多的环境能源产生电能。此外,重要的不是电路的能量转换效率,而是那些可以用来给电路供电的“平均收集”能量数量。例如,热电发生器将热量转换成电能,压电组件转换机械振动,光伏组件转换太阳光 (或任何光源)。这样就有可能给远程传感器供电,或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电,以便微处理器或发送器能够无需本地电源而接受远程供电。

  无线传感器节点(WSN)基本上是一个独立的系统,它由一些换能器组成,能将环境能源转换成电信号,其后跟着的通常是DC/DC转换器和管理器,以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。

  在实现WSN时,需要考虑的一个问题是:运行这个WSN需要多少功率?从概念上看,这似乎是一个相当简单的问题,然而实际上,由于受到若干因素的影响,这是一个有点难以回答的问题。例如,需要间隔多长时间获取一次读数?或者,更重要的是,数据包多大?需要传送多远? 这是因为,获取一次传感器读数,系统所用能量约有50%是收发器消耗掉的。有若干种因素影响WSN能量收集系统的功耗特性。

  当然,能量收集电源提供的能量多少取决于电源工作多久。因此,比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度,而不是能量密度。能量收集系统的可用功率一般很低,随时变化且不可预测,因此常常采用连接到收集器和辅助电力储存器的混合架构。收集器(由于能量供给不受限制和功率不足)是系统的能源。辅助电能储存器 (电池或电容器) 产生更大的输出功率但储存较少的能量,在需要时供电,除此之外定期接收来自收集器的电荷。因此,在没有可从其收集能量的环境能源时,必须用辅助电能储存器给WSN供电。当然,从系统设计师的角度来看,这进一步增加了复杂性,因为他们现在必须考虑,必须在辅助电能储存器中储存多少能量,才能补偿环境能源的不足。究竟需要储存多少能量,取决于几个因素,包括:

  (1) 环境能源不存在的时间。

  (2) WSN占空比(即读取数据和发送数据的频度)。

  (3) 辅助电能储存器(电容器、超级电容器或电池)的尺寸和类型。

  (4) 环境能源是否足够? 即既能充当主能源,又有足够的富余能量给辅助电能储存器充电,以当环境能源在某些规定时间内不可用时,给系统供电。

  环境能源包括光、热差、振动波束、发送的RF信号或者其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。以下表1说明了不同能源能够产生的能量大小。

  表1:能源及其产生的能量大小

  无线传感器节点的低功率电源转换方案

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