無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量收集系統(tǒng)

逍遙設(shè)計自動化

引言
8 b- Q, n4 i& Z能量收集技術(shù)在為遠程部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)供電方面具有重要作用。本文探討能量收集系統(tǒng)的基本原理，特別關(guān)注用于WSN應(yīng)用的基于振動的能量收集器。
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現(xiàn)代WSN由多個需要連續(xù)供電的傳感器節(jié)點組成。這些節(jié)點通常包括傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射/接收器和電源等組件。雖然傳統(tǒng)上使用鋰離子電池供電，但現(xiàn)在需要可以從環(huán)境中收集能量的可持續(xù)供電解決方案。
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圖1：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的各功能單元示意圖，包括傳感器、處理器、存儲器和收發(fā)器組件。

WSN節(jié)點的功耗因工作模式而異。商用傳感器節(jié)點（稱為"motes"）在空閑、接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗不同的功率。例如，某些節(jié)點在睡眠模式下僅需要納瓦級功率，但在主動發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時會消耗微瓦級功率。
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能量收集技術(shù)類型
可以將多種能量收集技術(shù)與WSN集成以實現(xiàn)持續(xù)運行。主要類別包括：
6 u0 o% k6 c: i3 u1. 動能收集：
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從機械應(yīng)力、振動和聲波中收集能量

可利用電磁、靜電或壓電機制

特別適用于具有自然振動源的應(yīng)用

2. 太陽能收集：

使用光伏電池將光轉(zhuǎn)換為電能

適用于戶外和室內(nèi)應(yīng)用

可顯著延長傳感器節(jié)點的電池壽命

4 k0 o" G' u# c' m3. 熱能收集：

利用溫差發(fā)電

適用于工業(yè)應(yīng)用和人體供電器件

可同時作為收集器和傳感器
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, F# v1 L5 G0 |3 N- N6 {' X- h4. 射頻能量收集：

捕獲射頻信號中的能量

適用于射頻信號強的區(qū)域

可為毫米級傳感器供電

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  i/ r* S% g# K9 y) F圖2：基于振動的微型發(fā)電機通用模型，展示用于從環(huán)境振動中收集動能的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。

基于振動的能量收集器
在各種能量收集技術(shù)中，基于振動的系統(tǒng)由于可靠性高且環(huán)境中振動源廣泛存在而具有優(yōu)勢。這些收集器通常在30 Hz到2000 Hz的頻率范圍內(nèi)工作，具體取決于應(yīng)用。

振動能量收集器使用三種主要轉(zhuǎn)換機制：

/ S1 u( b5 l. L3 N6 A+ Q圖3：電磁能量收集器設(shè)計，顯示固定磁鐵和可移動組件的排列，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。
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, J& ^4 X* e/ o圖4：靜電能量收集器，展示用于通過電容變化收集能量的固定和可移動電極的邊緣型排列。
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圖5：壓電能量收集的懸臂梁設(shè)計，顯示固定端、自由端和地震質(zhì)量的排列。

; Y) H4 y7 b7 O8 f! ?0 d* z1. 電磁收集器：
" a5 b3 g5 Z: s  J, A. @' K基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作，通過磁鐵和線圈之間的相對運動發(fā)電。雖然有效，但由于制造復(fù)雜性，在MEMS技術(shù)中實現(xiàn)較困難。
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2. 靜電收集器：
* o8 k$ ?" ]7 Z! p4 B基于可變電容結(jié)構(gòu)，通過電荷分離收集能量。適合MEMS制造，但需要初始電壓源才能工作。

3. 壓電收集器：
利用壓電效應(yīng)將機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電荷。在MEMS實現(xiàn)中具有多個優(yōu)點：

設(shè)計和操作原理簡單

直接將機械能轉(zhuǎn)換為電能

與標準MEMS制造工藝兼容

無需外部電壓源
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( g3 R# h0 F! g" t6 ]- E壓電方法通常采用一端固定、自由端帶有地震質(zhì)量的懸臂結(jié)構(gòu)。懸臂的共振頻率必須與環(huán)境振動頻率匹配才能實現(xiàn)最佳發(fā)電效果，這由彈簧常數(shù)和地震質(zhì)量特性決定。
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為提高穩(wěn)定性和可靠性，研究人員開發(fā)了兩端支撐的導(dǎo)向梁設(shè)計。這種配置減少了振動過程中的殘余應(yīng)力，防止與封裝層碰撞造成的潛在損壞。

0 Z* m) l6 t" P/ K# g  C基于振動的能量收集器的成功主要取決于能否在與目標環(huán)境匹配的頻率下工作。對于許多實際應(yīng)用而言，這意味著需要設(shè)計能夠有效收集低頻振動能量，同時保持長期穩(wěn)定可靠運行的系統(tǒng)。

通過精心設(shè)計和優(yōu)化這些能量收集系統(tǒng)，可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建自持續(xù)供電源，消除更換電池的需求，實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測到醫(yī)療植入物等各種應(yīng)用的真正自主傳感系統(tǒng)。
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參考文獻
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