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使用能量处理的零功率无线传感器

传感器网络的发展传感器网络在工厂,工业综合体,商业和住宅建筑,农业设施和城市地区得到广泛使用,用于提高制造效率,安全性,可靠性,自动化和安全性。这些网络执行各种有用的功能,包括工厂自动化,测量和控制; 控制住宅和商业建筑中的照明,供暖和制冷; 桥梁,商业建筑,飞机和机械的结构健康监测; 轮胎压力监测系统(TPMS); 储罐液位监测 并在医院和疗养院进行病人监护。
迄今为止,几乎所有的传感器网络都使用有线连接进行数据通信和电力。使用铜线,导管以及支持基础设施来安装传感器网络的成本已经变得非常成本高昂。使用ZigBee Green Power,Bluetooth LE和6LowPAN 等各种无线协议的新兴解决方案可以将传感器设备联网,并消除数据通信接线。但是,无线传感器仍然需要供电。使用诸如AA电池的电池已经被用作解决方案。但是,这些电池耗尽,改变它们往往是一个昂贵的命题。OnWorld Research估计,2013年电池换电成本将接近10亿美元。需要的是一种能够收集环境能量的解决方案 无线传感器设备周围,我们可以永远切断电源线。
零功率无线传感器是解决方案无线传感器网络(WSN)是用于使用电池或能量收集技术为设备供电的无线传感器和控制网络的术语。随着低成本集成电路可用于执行传感,信号处理,通信和数据采集功能,加上无线网络的多功能性,我们可以从新建筑中的固定,硬连线网络安装作为现有设施的改造。
向无线网络安装方向发展的一个缺点是为传感器,无线电,处理器和系统的其他电子元件提供能量所需的电池的可靠性和使用寿命有限。这种限制在一定程度上减少了无线网络的扩散。传统的电池可以通过使用能量转换换能器的能量收集技术来消除,该能量转换换能器连接到集成的可再充电的电力存储设备上。这个迷你的“电厂”?持续无线传感器的使用寿命。
如图1所示的零功率无线传感器通常由五个基本元素组成:
  • 传感器可以检测和量化任何数量的环境参数,如运动,接近度,温度,压力,pH值,光线,应变,振动等等。
  • 能量收集换能器,将某种形式的环境能量转化为电能。
  • 能量处理器收集,存储和传递电能到驻留在传感器节点的电子或机电设备。
  • 微控制器或其变型,接收来自传感器的信号,将其转换成用于分析的有用形式,并与无线电链路通信。
  • 传感器节点处的无线电链路将来自处理器的信息以连续的,周期性的或事件驱动的方式传输到主机接收机和数据收集点。
零功率无线传感器  
能量收集传感器用于无线传感器的传统电源通常是主要的(即不可充电的)电池,例如AA或AAA碱性电池,锂亚硫酰氯,锂币电池或许多其他化学品。但是还有另一种方法来提供电源 - 收集传感器设备周围的环境能量。能量收集为运行传感器节点提供了必要的能量和能量,而且在传感器节点的运行寿命期间不需要电池维护。实际上,能量采集使得永久性的传感器成为可能。
能量收集换能器是定期或持续可用的电源。作为示例,该电源可以以温差,诸如AC电动机的振动源,辐射或传播电磁波或光源的形式出现。这些电源中的任何一个都可以使用被设计成将这些形式的电力中的一种转换成电力的换能器转换成有用的电能。
以下换能器是最常见的,如图2所示:
  • 光伏:也被称为太阳能 - 将光转化为电能
  • ElectroStatic或Electromagnetic - 转换振动
  • 热电:将温差转化为电能
  • 压电:将机械运动转化为电力
  • 射频和电感:将磁力转换成电力
能量源 挑战 典型的电气阻抗 典型电压 典型功率输出
符合小表面积; 宽输入电压范围 随光输入而变化低kΩ至10Ω的kΩ DC:0.5V至5V [取决于阵列中的单元数量] 10μW-15mW(户外:0.15mW-15mW)(室内:<500μW)
振动 振动频率的可变性 恒定阻抗10Ω的kΩ到100kΩ AC:10伏 1μW-20mW的
小的热梯度; 高效散热 恒阻抗从1μΩ到100μΩ DC:10V至10V 0.5mW-10mW(20ºC梯度)
RF和电感 耦合与纠正 恒定阻抗低kΩs AC:随距离和功率变化0.5V至5V 大范围
每个传感器的效率和功率输出根据传感器设计,结构,材料,工作温度以及可用的输入功率和传感器输出端的阻抗匹配而变化。
新能源处理器和固态电池现已上市零功率无线传感器需要能量处理低功耗管理电路来调节传感器输出功率,存储能量,并为无线传感器的其余部分供电。在大多数环境中,任何产生功率的换能器在任何情况下都不能依靠为负载持续供电。虽然每个传感器在一定幅度和一定的规律下传输功率,但是它们不储存能量。因此,当电源不存在时,在没有能量存储装置的情况下将没有电力供应负载。而且,换能器通常不以合适的电压输送功率来操作电子系统; 因此,传感器功率的调节对于使功率在操作传感器,处理器和发射机中是有用的。特别是在没有储能装置的情况下,输送驱动无线发射器所需的脉冲电流将是困难的或不可能的。诸如超级电容器和纽扣电池的传统可再充电储能装置在充电/放电循环寿命,自放电以及充电电流和电压要求方面具有严格的限制。新的可充电固态电池(SSB)现已上市,比如Cymbet EnerChip ™产品系列,克服了传统电池和超级电容的局限性。
一个能源处理器设备执行几个有用的“能源意识”?? 功能,包括与微控制器通信的握手功能。检测电路确定EH换能器是否有足够的电力来操作系统。如果是,则微控制器接收到表示电源模块正常运行的信号。如果功率不足,则信号提醒微控制器进入低功率模式,并且如果这样编程的话,则发送信号给无线射频以相应地提醒无线集线器设备。能源处理器还有一条控制线可以断开EnerChip SSB 从电路中使用所有可用的输入电源来操作系统,而不是将一些电源转移到EnerChip来给电池充电。
微控制器,传感器和无线电传感器的输出通常连接到微控制器,该微控制器处理通过测量感兴趣的参数(例如,温度,压力,加速度等)而创建的信号,并将其转换成对数据传输,采集有用的形式分析。此外,微控制器通常将该信息馈送给无线电,并且在某个规定的时间间隔或基于特定事件的发生来控制其激活。为了使电源寿命最大化,微控制器和无线电设备尽可能以低功率模式工作是非常重要的。根据无线电和微控制器的静态电流,发射机的功率和占空比以及所需的任何信号处理的复杂性和持续时间,电源漏极可以由稳态或有功功率消耗来支配。还可以通过微控制器固件算法来降低功耗,这些算法可以有效地管理上电和关断序列,模数转换和事件驱动中断。
结论由于硬连线传感器系统的安装成本上升,低成本传感器节点的可用性以及传感器技术的进步,无线传感器系统变得越来越普遍。基于能量采集的自主无线传感器节点是一种经济高效的便捷解决方案。能量收集技术的使用消除了限制无线节点扩散的关键因素之一 - 电源的稀缺性具有传感器节点能源和电力多年无需更换电池所必需的特性。零功率无线传感器部署与硬连线解决方案相比,显着的经济优势得以实现。通过消除更换电池的重大成本,实现了额外的节省。结合能量收集换能器能量处理功率模块,低功率传感器,能量感知微控制器和优化的射频无线电链路实现了长寿命,免维护的零功率无线传感器网络。

(责任编辑:ioter)

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