無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量收集系統(tǒng)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
3 N5 [7 q9 _: y1 l9 U2 Z) V能量收集技術(shù)在為遠(yuǎn)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(dòng)的能量收集器。
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1 Y. s" @6 p, D7 C* D- B現(xiàn)代WSN由多個(gè)需要連續(xù)供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)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。

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(chǔ)器和收發(fā)器組件。

3 j/ x9 ~9 _8 s2 ^) W% F- d3 OWSN節(jié)點(diǎn)的功耗因工作模式而異。商用傳感器節(jié)點(diǎn)（稱為"motes"）在空閑、接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)消耗不同的功率。例如，某些節(jié)點(diǎn)在睡眠模式下僅需要納瓦級功率，但在主動(dòng)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)消耗微瓦級功率。

5 n- A& E3 G( M1 f5 k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(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行。主要類別包括：
1. 動(dòng)能收集：

從機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)和聲波中收集能量

可利用電磁、靜電或壓電機(jī)制

特別適用于具有自然振動(dòng)源的應(yīng)用
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2. 太陽能收集：
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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(diǎn)的電池壽命

. ~5 o2 o: c$ c' ~9 s9 `3. 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(shí)作為收集器和傳感器

3 l2 L/ l) r% X  j+ F  U- h" @3 R4. 射頻能量收集：

捕獲射頻信號中的能量

適用于射頻信號強(qiáng)的區(qū)域

可為毫米級傳感器供電

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$ r" R( \* E$ _+ S. s
圖2：基于振動(dòng)的微型發(fā)電機(jī)通用模型，展示用于從環(huán)境振動(dòng)中收集動(dòng)能的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。

- ?; L- c& C& }6 D& Z基于振動(dòng)的能量收集器
在各種能量收集技術(shù)中，基于振動(dòng)的系統(tǒng)由于可靠性高且環(huán)境中振動(dòng)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。
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振動(dòng)能量收集器使用三種主要轉(zhuǎn)換機(jī)制：

8 d' t2 E" h5 |+ e1 y/ U圖3：電磁能量收集器設(shè)計(jì)，顯示固定磁鐵和可移動(dòng)組件的排列，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。

5 N# i8 p- ~! s( Z  A, j9 i+ H- B
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(dòng)電極的邊緣型排列。


圖5：壓電能量收集的懸臂梁設(shè)計(jì)，顯示固定端、自由端和地震質(zhì)量的排列。
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7 T0 r$ L1 j( A' }4 ^" l8 Z) p1. 電磁收集器：
, z! L3 S% a/ S6 x* o( R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(yùn)動(dòng)發(fā)電。雖然有效，但由于制造復(fù)雜性，在MEMS技術(shù)中實(shí)現(xiàn)較困難。

1 S: i1 d( S1 t/ t2. 靜電收集器：
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。
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! |7 i$ u( ?) j7 B' ?) ^3. 壓電收集器：
利用壓電效應(yīng)將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電荷。在MEMS實(shí)現(xiàn)中具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
; V; L* j& \, o9 J

設(shè)計(jì)和操作原理簡單

直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

與標(biāo)準(zhǔn)MEMS制造工藝兼容

無需外部電壓源

/ ~9 v* P& n4 C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(dòng)頻率匹配才能實(shí)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。

* K2 ?2 o7 K, j! e. Z7 _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(jì)。這種配置減少了振動(dòng)過程中的殘余應(yīng)力，防止與封裝層碰撞造成的潛在損壞。

基于振動(dòng)的能量收集器的成功主要取決于能否在與目標(biāo)環(huán)境匹配的頻率下工作。對于許多實(shí)際應(yīng)用而言，這意味著需要設(shè)計(jì)能夠有效收集低頻振動(dòng)能量，同時(shí)保持長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的系統(tǒng)。
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通過精心設(shè)計(jì)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(shí)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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3 ~/ b1 c) y, l- A參考文獻(xiàn)
5 G% W- m7 j- I; N( i* d6 w[1] S. Saxena, R. Sharma, and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," in Energy Systems in Electrical Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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