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测量和控制所需的超低功率无线传感器节点的激增,再加上新型能量收集技术的运用,使得由局部环境能量而非电池供电的全自主型系统成为可能。利用环境或“免费”能量来为无线传感器节点供电是富有吸引力的,因为它能够对电池或导线供电提供补充、甚至完全无需使用电池或供电导线。当更换或检修电池存在不便、费用昂贵或危险之时,这显然是一大优势。
而且,完全取消供电导线还使大规模扩展监视与控制系统变得轻而易举。能量收集无线传感器系统简化了众多领域中的安装和维护工作,例如:楼宇自动化、无线 / 自动化仪表计量和前瞻性维护,以及诸多其他的工业、军事、汽车和消费类应用。
能量收集的好处是显而易见的,不过,有效的能量收集系统需要使用智能型的电源管理方案,以把微弱的免费能量转换为一种无线传感器系统可以使用的形式。
归根到底是占空比的问题
许多无线传感器系统的平均功率消耗非常之低,从而使其成为可利用能量收集技术进行供电的主要候选对象。很多传感器节点用于监视缓慢变化的物理量。所以可以不经常进行测量,也不需要经常发送测量数据,因此传感器节点是以非常低的占空比工作的。相应地,平均功率需求也很低。
例如:若一个传感器系统处于唤醒状态时的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率,但在每秒时间里只运行 10ms,那么其所需的平均功率仅为 1mW,假定在传送突发的间隔期间不工作时,传感器系统电流降至数 μA。倘若这个无线传感器只是每分钟 (而不是每秒钟) 进行一次采样和传送,则平均功率将骤降至 20μW 以下。由于大多数形式的能量收集均提供非常小的稳态功率 (通常只有几 mW,有时甚至仅几 μW),因此这种功率需求量的差异是很重要的。应用所需的平均功率越低,就越有可能采用收集能量来供电。
能量收集源
可供收集的最常见能量源是振动 (或运动)、光和热。用于所有这些能量源的换能器都具有以下的共同特性:
•它们的电输出未经稳压且不适合直接用于给电子电路供电
•它们可能无法提供一个连续和不间断的电源
•它们往往只产生非常低的平均输出功率 (通常在 10μW 至 10mW)
如果想把此类能量源用于给无线传感器或其他电子线路供电,就必需针对上述特性进行明智而审慎的电源管理。
电源管理:迄今为止在能量收集中仍然缺失的一环
由收集能量供电的典型无线传感器系统可分解为 5 个基本构件,如图 1 所示。除了电源管理构件之外,所有这些构件成都已经用了有一段时间。比如:运行功率仅数 μW 的微处理器以及功耗同样非常之低、具成本效益的小型射频 (RF) 发送器和收发器已被广泛使用。低功率的模拟和数字传感器也是无处不在。
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