近年來，無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 越來越受到關(guān)注。WSN 的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它能夠持續(xù)監(jiān)控各種參數(shù)的數(shù)據(jù)。例如，這些傳感器用于水管系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)流體和流量參數(shù)。WSN 的挑戰(zhàn)之一是其電源。它是一種電池供電的設(shè)備，一旦電池達(dá)到使用壽命，就需要更換或充電。因?yàn)?WSN 可以放置在遠(yuǎn)程位置，更換電池并不總是可行的。克服這一挑戰(zhàn)的現(xiàn)有方法是向 WSN 添加能量收集。能量收集器可以從環(huán)境中收集可用能量，例如機(jī)械能、熱能或光伏能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

WSN 如何運(yùn)作？

通常，無線傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)主要組件組成：

電源

微控制器 (MCU)

通訊模塊

傳感器

該結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，用作傳感器節(jié)點(diǎn)的基本架構(gòu)。

圖 1：WSN 的架構(gòu)（來源：Mouser Electronics）

設(shè)計(jì)工程師試圖通過根據(jù)占空比對(duì)其操作進(jìn)行編程來調(diào)節(jié) WSN 內(nèi)的功耗。這里傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)處于低功耗模式（深度睡眠），并在短時(shí)間內(nèi)被激活以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、測(cè)量和通信。圖 2展示了這一工作原理。

圖 2：WSN 占空比圖（來源：貿(mào)澤電子）

平均而言，微控制器的睡眠功耗在 nW 范圍內(nèi)，而當(dāng)它處于活動(dòng)模式時(shí)，功耗會(huì)增加到 μW 范圍。然而，活動(dòng)模式并不是這里的主要功耗因素，因?yàn)檫@通常只發(fā)生很短的時(shí)間（毫秒）。睡眠電流是從電池中吸取大部分能量的主要來源。因此，在設(shè)計(jì)WSN時(shí)，選擇睡眠模式下超低功耗的MCU是必不可少的。

例如，德州儀器 ( Texas Instruments )提供超低功耗 MCU MSP430FR600x，非常適合超聲波水流測(cè)量。該 MCU 在活動(dòng)模式下消耗約 120μA/MHz，在待機(jī)模式下消耗約 450nA。

另一個(gè)非常適合電池供電設(shè)備的產(chǎn)品示例是Silicon Labs EFM32PG22 MCU。它具有 76.8MHz ARM Cortex ? -M33 處理器，在活動(dòng)模式下消耗 26μA/MHz。EFM32PG22 的睡眠電流約為 1.10μA，可低至 0.17μA。

通過能量收集延長 WSN 的使用壽命

兩種能量收集方法可延長 WSN 的使用壽命：

通過使用收集的能量為電池充電來延長電池壽命。

為此，需要一個(gè)電源管理電路來將收集到的能量存儲(chǔ)在電池或超級(jí)電容器中。電源管理電路由三個(gè)主要組件組成：整流、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)。

整流：只有產(chǎn)生交流電壓的能量采集器才需要整流，例如電磁式和壓電式。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器：DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須調(diào)節(jié)能量采集器產(chǎn)生的電壓，并用它為電池充電。

存儲(chǔ)：使用能量存儲(chǔ)元件，例如可充電電池或超級(jí)電容器。

這種方法可以在e-peas DEMPV-BLE光伏物聯(lián)網(wǎng)演示套件上進(jìn)行演示。DEMPV-BLE 是一種 WSN，其板載 35mm x 50mm 光伏太陽能電池。該套件可以測(cè)量光度、溫度和濕度，并通過低功耗藍(lán)牙( BLE ) 將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)。板載太陽能電池可為套件在室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行提供足夠的能量。收集的能量存儲(chǔ)在一個(gè) 160mF 的超級(jí)電容器中，并且可以通過每 10 秒發(fā)送一次帶有新測(cè)量值的信標(biāo)消息來運(yùn)行五個(gè)小時(shí)。

收集的能量直接用于為 WSN 組件供電，因此它變成了自供電。

這種方法將生成的能量直接提供給 WSN，無需存儲(chǔ)元件。該方法的唯一挑戰(zhàn)是確保收集的能量能夠覆蓋 WSN 的啟動(dòng)功率和傳輸功率。讓我們?cè)贠N Semiconductor Zigbee Green Power Energy Harvesting Kit上對(duì)此進(jìn)行解釋。系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。該套件具有開關(guān)形式的板載電磁發(fā)電機(jī)，可將產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。每個(gè)開關(guān)按下都會(huì)為一個(gè) 33μF 電容器充電，該電容器為NCP170 供電低壓差（ LDO ） 。NCP170 然后為 NCS36510 發(fā)射器提供 3.3V 電源。然后電壓逐漸降低，直到 NCS36510 器件斷電。這導(dǎo)致該設(shè)備大約有 17 毫秒的可用運(yùn)行時(shí)間。設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間不到 5.6 毫秒，并且會(huì)立即傳輸一條消息。傳輸后，模塊切換到接收模式以偵聽來自接收器的 802.15.4 ACK（確認(rèn)）。一旦收到，無線電就會(huì)斷電。

圖 3：Zigbee Green Power 能量收集套件系統(tǒng)框圖（來源：On Semiconductor）

結(jié)論

我們?cè)谶@里學(xué)到了什么？我們討論了一些可用的高能效 MCU，非常適合設(shè)計(jì) WSN。此外，我們還展示了兩種不同類型的 WSN，它們可以通過能量收集來供電。一種方法是對(duì)為 WSN 供電的電池進(jìn)行充電，另一種方法是 WSN 直接使用采集器產(chǎn)生的能量。決定為應(yīng)用程序使用哪個(gè)取決于您的應(yīng)用程序功耗。如果能量收集器可以覆蓋您應(yīng)用的功耗，那么無電池將節(jié)省時(shí)間和金錢。

審核編輯黃昊宇