關于本書 隨著無線通信技術，傳感器，驅動器以及高度集成的微電子技術的飛速發展，無線傳感器網絡（WSN）備受廣泛的關注。通過對物理環境的監測和控制，尤其是一些偏遠地區，這里的物理環境通常是指人為難以到達或很危險的地區，WSN顯示出獨特的優越性。WSN的出現是有線傳感器的重大突破，大大減少了電路通信電纜以及相關安裝及維護的費用。針對工程系統的實時信息要求，WSN的應用是非常寬泛的，如從智能控制系統到醫療衛生系統，環境控制系統，等等。隨著硬件電路變得既便宜又小型化，出現了越來越多的WSN應用，特別是這些小型的無線傳感器節點為電子系統提供了機遇，為了實現“忘記部署”的場景，將這些小型的無線傳感器節點悄無聲息地嵌入日常用品中。 在WSN中大量的自主式傳感器節點由電池提供電能，而這些電池對于節點的運行是必需的。電池占據了整個節點尺寸的顯著部分和整個系統的大部分重量。而且，它們也是系統中最薄弱的連接也是最昂貴的部分。電池自身的維護，如電池的更換或再充電，也是另外一個要考慮的重要因素。當成百上千個傳感器節點工作時，所需要的電池數也很可觀，這成為WSN的一個很嚴重的局限。目前已報道的電池存儲的最高電能是3.78kJ/cm3[1],這意味著一個超低功率的體積為1 cm3的小型無線傳感器節點工作10年平均消耗的電能為100μW，它需要體積為10 cm3的電池。因此，能量供給是傳感器節點壽命的主要瓶頸之一，而能量也受限于電池的尺寸。 WSN“忘記部署”的特點其主要缺陷在于有限的存儲容量，以及不可預測的電池壽命。為了克服這些問題，能量收集（EH）/采集技術從各種不同的能源中收集/采集能量，并將它們轉化為電能為電池充電，該技術已成為一種非常有前景的技術。隨著微電子技術的杰出發展，傳感器節點的功率需求從幾十毫瓦一直降低到幾十微瓦。從傳統的僅依賴于電池的WSN轉變為真正自主且可再生能源收集的無線傳感器網絡（EH-WSN），能源收集技術為這一范式轉變鋪平了道路。在本書中調查并研究了不同類型的EH系統和它們主要的組成部分（例如能量收集器[源]，功率管理電路，能量存儲設備，和無線傳感器節點[負載]）。基于風能收集（WEH），熱能收集（TEH），振動能收集（VEH）,太陽能收集（SEH），混合能量收集（HEH），磁能EH，這些EH系統設計符合周圍環境和事件/任務的需求，然后落實到硬件原型并對其概念進行證明。為了優化這些EH系統，介紹了一些不同類型的基于電功率的管理電路，例如有源交流-直流轉換器（AC-DC），具有最大功率點跟蹤（MPPT）的DC-DC轉換器，能量存儲和鎖存電路。 與任何常見的可再生能源一樣，WEH針對于較高功率（大于幾兆瓦）的應用做了廣泛的研究。然而，文獻關于小型WEH所作的研究并不多，這些小規模的WEH通常用在功率較小的無線傳感器中。小型WEH系統具有輸出電壓幅度低和所收集的功率較低的問題；因此它們嚴重限制了WEH無線傳感器節點的電路設計。為了克服上述提到的問題，有必要提出一種優化的WEH系統。優化的WEH系統適用于超低功率管理電路，其具有兩個明顯的特征：（1）使用金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的有源整流器，用于整流風力渦輪發電機（WTG）在低風速條件下產生的較低幅度的交流電壓。（2）DC-AC升壓轉換器與仿真電阻算法在不同的風速條件下以執行MPPT機制。與傳統的二極管橋式整流器相比，由于每對MOSFET的通態壓降（從0.6V下降到0.15V）明顯下降，則有源整流器的效率從40%增加到70%。實施基于仿真電阻的低功率微控制器與閉環電阻反饋控制以確保電源和負載之間的阻抗匹配，從而提高功率轉化的效率。從獲得的實驗結果得出，優化的WEH系統在平均風速為3.62m/s時收集的電功率平均值是7.86 mW，這幾乎是傳統的不采用MPPT的EH系統的四倍。 由于應用中受到空間的限制，WEH系統要求盡可能的小且攜帶方便，像這種傳統的，大型的且體積龐大的WTG已經不再適合。同樣地，提出一種新的方法收集風能，即采用壓電材料-鋯鈦酸鉛（PZT）。PZT整體與WTG相比，它的尺寸非常小。基于壓電的風能收集器收集的能源首先積累并存儲到電容器中，直到存儲的能量足以供給傳感器節點為止；然后啟動觸發信號，將電容器存儲的能量釋放到風速傳感器節點中。實驗結果顯示，存儲的917μJ電能用于暴雨檢測系統以檢測風速是否超過特定門限值6.7m/s而發出早期警報。 在一些地方風能并不是必需的。目前，從具有低溫差的環境熱源中收集能量（TEH）受到了廣泛關注，但是由于溫度的波動性，導致TEH具有能量轉換效率低，不一致性，較低的輸出功率和成本高的挑戰。為了補充THE機制，提出一種高效的功率管理電路使得熱能源到與之相連接負載的功率傳輸最大化，這對于大范圍的運行環境是適宜的。在這項研究中，為優化的THE機制介紹DC-DC的降壓轉換器與基于仿真電阻的最大功率點跟蹤（MPPT）器，以此維持無線傳感器節點的運行。從實驗測試的結果可以得出，由優化的THE系統在平均溫度差為20K的條件下收集的電功率平均值是629μW，這幾乎比傳統的不使用MPPT機制的EH方法足足提高了兩倍。 在住宅樓和工業建筑里布線和墻上安裝控制開關成為一件麻煩事，而且會產生較高的安裝成本。隨著時間的推移，重新布線也可能產生電纜故障。為了克服這個問題，介紹一種無電池和無線遠程控制器，即用無線的方式控制電子裝置，如電燈和風扇的開/關。在這項研究中介紹了兩種類型的基于壓電的VEH系統，用它們收集人類按下按鈕或開關的沖擊力：（1）壓電按鈕點火器；（2）預應力壓電隔膜材料，將產生的電能存儲在電容器中。一旦收集到足夠的能源，就為無電池且無線的遠程控制器的運行供電。 EH系統本身具有固有的缺點：環境能源的間歇性。由于在很長一段時間內環境能源的不可用性，使得無線傳感器節點運行的可靠性受到影響。為了增加無線傳感器節點運行的可靠性，研究了兩種類型的HEH方法。已經提出的WEH和SHE混合機制能夠同時收集這兩種能源，從而大大延長了傳感器節點的壽命。但是將這兩個不同特性的能源結合在一起時，必然產生兩個不同源和負載之間的阻抗不匹配問題。因此，每個能源都有自己的功率管理單元，在各自的MPP上運行。WEH子系統使用仿真電阻技術，而SHE子系統運行時使用恒定電壓技術。實驗結果顯示，在平均風速為4m/s，以及平均太陽輻射照度為80W/m2的條件下, 優化的HEH系統收集的平均電功率是22.5 mW，這幾乎高于基于信風能源的三倍。 在HEH的其他研究中，提出將室內環境光與從兩個能源收集的輸出功率相結合，并使用一個功率管理電路的THE機制，從而延長無線傳感器節點的壽命。針對多個能源，通過避免單個功率管理電路的使用，使得在HEH系統的組件數量減少，因此系統的形狀系數，成本，功率損耗降低。將基于高效的微處理器的超低功率管理電路與基于恒定參考電壓的MPPT在閉環電壓反饋控制上同時實施，在寬泛的運行環境下，以確保鄰近的最大功率從兩個能源到與其相關的負載上傳輸。從實驗結果可以看出，優化的HEH系統在平均室內太陽輻射照度為1010lux和熱梯度為10 K的情況下，收集的平均電功率是621μW，這幾乎是傳統的基于信風能源所獲得功率的三倍。 除了EH，本項研究也證明了另一種方法，即通過無線功率傳輸（WPT）機制為低功率的電子設備供電。WPT機制采用電感耦合的概念（即收集雜散磁場的能量，無需任何物理連接，在電源線上傳輸電功率）。在電源線上的交流電壓和電流分別是230V和1～4A。實驗結果顯示，磁場能量收集器能夠從電源線上收集685μJ的電能為射頻發射機供電，該發射機以無線方式發送10個12位數字編碼數據包到遠程基站。為了延長WPT的距離，證明自諧振線圈以一種強耦合方式運行。實驗結果顯示WPT系統輸出的功率是1W,效率為51%，可以為相距20cm的小燈泡供電。 直到這個階段，提出的EH原型概念已經得到證明。研究EH系統在無線傳感器供電過程中的特性，并在實驗室用不同的運行環境對其進行測試。此外，根據它們的設計應用進一步對EH原型進行優化。然而，現實中部署區域的環境條件并不像實驗室那樣理想。因此，在未來的工作中，EH研究的下一階段將其實施到一系列的具體應用中，試圖評估出EH系統在很長一段時間內現實部署環境下的性能。為了EH機制的成功應用，將介紹關于能源損耗的整體系統的優化，包括WSN在整個鏈條（即，從感知環境參數到可靠地傳輸和傳遞已感知的參數）中的循環運行。這部分的研究超出了本書的范疇，因此在以后的工作中再做這方面的研究。 |
