无线网络传感器能量收集管理技术
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一、前言
随着无线网络传感器技术的发展，其在工业、商业、医学、消费和军事等领域的应用逐步深入，而电源问题一直成为无线网络传感器延长应用寿命和降低成本的关键。在环境恶劣或其他人类无法到达的场合或网络节点移动变化时，电池的更换变得非常困难甚至不可能，因而有效的为无线网络传感器提供能量是设计者所首先面对的。现在受到人们关注的有效的方法是采用能量收集的方法对环境能源采集，对能量进行储存以提供给无线网络传感器。本文介绍利用机械振动和光能收集的两种能量采收方法，采用电源动态管理技术的概念进行能量管理，用电池实现储存能量时的关键问题，并对降低电能消耗的多种途径进行探讨，从而实现整个网络的长期有效的工作。
二 、能量收集
能量收集是利用环境中的能量进行收集并实现应用[1]。从环境收集的能量转换后进行储存，随后分配到网络传感器的模数转换器、微控制器、射频收发器各部件，保证传感器的电源需求，实现长期有效的供电。能量采收为网络传感器部件供给电能如图1。
能量收集可利用机械震动、光能、温度变化、电磁场、化学能、风、热等方法。前两种方法的应用技术成熟，应用范围广，相关器件的产品较多，现阶段具有较强竞争力和应用前景。此处介绍基于机械能和光能的两种收集方法。
1、机械振动能量收集法
依靠机械振动作为能源是一种人们颇为熟悉的方法。机械振动是普遍存在且其能量收集有效、敏感。振动能量输入振动以ɡ为单位，用手轻拍在桌子上就相当0.02ɡ的振动。例如由新兴公司制造的能量收集器在环境振动28Hz和100mɡ时，收集器直径1.8in高1.8in产生9.3mW的电量输出。增加收集器1倍的体积会相应比例的能量增加1倍，电量输出也和振动频率增加成线性关系，同振动力的增加成指数关系。为了方便有效的利用能量，收集到的能量储存到电容或电池中去为系统供电。
压电材料的应用发展使其成为收集振动能量的直接有效的元件。利用压电材料受到压力变形产生电荷的特性，将动能转换成电压后经过收集进行幅度调整送入储存电路。一种典型的工作示意如图2。环境振动的能量收集方法为消耗电量低的传感器提供一种长久的能源。
2、光能收集法
光电材料的新进展使光能收集成为无线网络传感器能量来源的另一种耗之不竭的新方法，光电元件的安装和运行费用随着大规模的应用也可大大减少。
光电采集的基本原理是利用光电材料吸收大量的光子，如果光子足够多从而能激活光电池中的电子，经过适当的设计结构，电子可被获取。光电元件相当于解码器，在光的照射下产生电压，结合相应的调整和储存电路可为负载实现供电。电量的多少是收集的光能的函数，为获取较多的电量，光电元件通常置于光照好的环境，并增大光照面积。通常的光电池可产生电压0.5VDC，但实际电压输出随运行温度的不同而变化，一般说来温度越低输出电压越高，光照越强电流输出越大。使用时为了产生系统需要的电压需要将多个光电元件进行串行连接。如图3是一种典型光电元件电流、电压与光照、温度关系的IV曲线[2]。
光电技术发展从最初的硅晶体制造到今天微粒子沉积在感光基片上，这种新材料可在室内或室外工作，重量轻易安装，并受环境温度的影响减小，非常适于为小的、远程的传感器提供电源。
三、能源的管理和储存
能量采收的电能必须通过有效的管理和存储才能得以连续有效的为传感器提供电源，否则能量收集将无功而返。电源管理是现在能源利用的一个热点，采用动态电源管理是一种有节电潜力的方法。电源的储存元件是电池或电容，化学电池由于储存稳定有效成为在网络传感器中的首选。将能量收集到电池中的限制是电池的寿命问题，如何使电池的工作寿命能满足用户的可接受期望，为延长电池的寿命采用正确的充电方法是关键问题。
1、电源管理
网络传感器的电源管理采用动态功率管理和动态电压调度[3]的动态管理模式是降低系统耗能的有效设计方法。
动态功率管理（dynamic power management）是动态地分配系统资源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能状态完成系统任务的一种降低功耗的设计方法。“动态电源管理”技术中包括使系统能达到有效节能的一系列方法。这些方法控制“电源管理”在系统元件空闲时，系统元件是否进入低耗能状态和何时进入。动态功率管理技术适用的基本前提是，系统元件在工作时间内有着不相同的工作量。大多数的系统都具有此种情况。另一个前提是，可以在一定程度上确信能够预知系统、元件的工作量的波动性。这样才有转换耗能状态的可能，并且在对工作量的观察和预知的时间内，系统不可以消耗过多的能量。在网络传感器电源管理中其工作特点非常适于采用动态功率管理。因为传感器网络的各个节点并不是一直在工作，许多时间处于休眠模式所需耗电量较低，当传感器采集数据、控制器数据处理和进行数据通讯时系统耗电增大。设置进入空闲时，可以关闭设备，进入低耗能的休眠状态；当再次接到请求后，设备被唤起。动态功率管理系统中，不同元件的工作状态要动态地适应不同程度的性能要求，只有这样才能最小化空闲时间浪费的能量或者无用元件浪费的能量。对于电源管理实施时间的判断，要用到多种预测方法，例如静态预知方法、动态预知方法，根据历史的工作量预测即将到来的工作量，决定是否转换工作状态和何时转换。
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