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 [討論] 一本值得推薦的書《自主式傳感器系統(tǒng)的能量收集——設(shè)計(jì)、分析以及實(shí)踐應(yīng)用》
dgdz2013
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發(fā)表于 2014-05-29 12:18:29  只看樓主 
[attach]311552[/attach]關(guān)于本書
隨著無線通信技術(shù)，傳感器，驅(qū)動器以及高度集成的微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）備受廣泛的關(guān)注。通過對物理環(huán)境的監(jiān)測和控制，尤其是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，這里的物理環(huán)境通常是指人為難以到達(dá)或很危險(xiǎn)的地區(qū)，WSN顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。WSN的出現(xiàn)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(guān)安裝及維護(hù)的費(fèi)用。針對工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息要求，WSN的應(yīng)用是非常寬泛的，如從智能控制系統(tǒng)到醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)，環(huán)境控制系統(tǒng)，等等。隨著硬件電路變得既便宜又小型化，出現(xiàn)了越來越多的WSN應(yīng)用，特別是這些小型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)為電子系統(tǒng)提供了機(jī)遇，為了實(shí)現(xiàn)“忘記部署”的場景，將這些小型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)由電池提供電能，而這些電池對于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行是必需的。電池占據(jù)了整個(gè)節(jié)點(diǎn)尺寸的顯著部分和整個(gè)系統(tǒng)的大部分重量。而且，它們也是系統(tǒng)中最薄弱的連接也是最昂貴的部分。電池自身的維護(hù)，如電池的更換或再充電，也是另外一個(gè)要考慮的重要因素。當(dāng)成百上千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，所需要的電池?cái)?shù)也很可觀，這成為WSN的一個(gè)很嚴(yán)重的局限。目前已報(bào)道的電池存儲的最高電能是3.78kJ/cm3[1],這意味著一個(gè)超低功率的體積為1 cm3的小型無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(diǎn)其主要缺陷在于有限的存儲容量，以及不可預(yù)測的電池壽命。為了克服這些問題，能量收集（EH）/采集技術(shù)從各種不同的能源中收集/采集能量，并將它們轉(zhuǎn)化為電能為電池充電，該技術(shù)已成為一種非常有前景的技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的杰出發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的功率需求從幾十毫瓦一直降低到幾十微瓦。從傳統(tǒng)的僅依賴于電池的WSN轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲灾髑铱稍偕茉词占臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)（EH-WSN），能源收集技術(shù)為這一范式轉(zhuǎn)變鋪平了道路。在本書中調(diào)查并研究了不同類型的EH系統(tǒng)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(shè)備，和無線傳感器節(jié)點(diǎn)[負(fù)載]）�；陲L(fēng)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(tǒng)設(shè)計(jì)符合周圍環(huán)境和事件/任務(wù)的需求，然后落實(shí)到硬件原型并對其概念進(jìn)行證明。為了優(yōu)化這些EH系統(tǒng)，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(zhuǎn)換器（AC-DC），具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的DC-DC轉(zhuǎn)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(yīng)用做了廣泛的研究。然而，文獻(xiàn)關(guān)于小型WEH所作的研究并不多，這些小規(guī)模的WEH通常用在功率較小的無線傳感器中。小型WEH系統(tǒng)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(yán)重限制了WEH無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)。為了克服上述提到的問題，有必要提出一種優(yōu)化的WEH系統(tǒng)。優(yōu)化的WEH系統(tǒng)適用于超低功率管理電路，其具有兩個(gè)明顯的特征：（1）使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的有源整流器，用于整流風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)（WTG）在低風(fēng)速條件下產(chǎn)生的較低幅度的交流電壓。（2）DC-AC升壓轉(zhuǎn)換器與仿真電阻算法在不同的風(fēng)速條件下以執(zhí)行MPPT機(jī)制。與傳統(tǒng)的二極管橋式整流器相比，由于每對MOSFET的通態(tài)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(shí)施基于仿真電阻的低功率微控制器與閉環(huán)電阻反饋控制以確保電源和負(fù)載之間的阻抗匹配，從而提高功率轉(zhuǎn)化的效率。從獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，優(yōu)化的WEH系統(tǒng)在平均風(fēng)速為3.62m/s時(shí)收集的電功率平均值是7.86 mW，這幾乎是傳統(tǒng)的不采用MPPT的EH系統(tǒng)的四倍。
由于應(yīng)用中受到空間的限制，WEH系統(tǒng)要求盡可能的小且攜帶方便，像這種傳統(tǒng)的，大型的且體積龐大的WTG已經(jīng)不再適合。同樣地，提出一種新的方法收集風(fēng)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�；趬弘姷娘L(fēng)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(jié)點(diǎn)為止；然后啟動觸發(fā)信號，將電容器存儲的能量釋放到風(fēng)速傳感器節(jié)點(diǎn)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，存儲的917μJ電能用于暴雨檢測系統(tǒng)以檢測風(fēng)速是否超過特定門限值6.7m/s而發(fā)出早期警報(bào)。
在一些地方風(fēng)能并不是必需的。目前，從具有低溫差的環(huán)境熱源中收集能量（TEH）受到了廣泛關(guān)注，但是由于溫度的波動性，導(dǎo)致TEH具有能量轉(zhuǎn)換效率低，不一致性，較低的輸出功率和成本高的挑戰(zhàn)。為了補(bǔ)充THE機(jī)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(fù)載的功率傳輸最大化，這對于大范圍的運(yùn)行環(huán)境是適宜的。在這項(xiàng)研究中，為優(yōu)化的THE機(jī)制介紹DC-DC的降壓轉(zhuǎn)換器與基于仿真電阻的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）器，以此維持無線傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。從實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果可以得出，由優(yōu)化的THE系統(tǒng)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(tǒng)的不使用MPPT機(jī)制的EH方法足足提高了兩倍。
在住宅樓和工業(yè)建筑里布線和墻上安裝控制開關(guān)成為一件麻煩事，而且會產(chǎn)生較高的安裝成本。隨著時(shí)間的推移，重新布線也可能產(chǎn)生電纜故障。為了克服這個(gè)問題，介紹一種無電池和無線遠(yuǎn)程控制器，即用無線的方式控制電子裝置，如電燈和風(fēng)扇的開/關(guān)。在這項(xiàng)研究中介紹了兩種類型的基于壓電的VEH系統(tǒng)，用它們收集人類按下按鈕或開關(guān)的沖擊力：（1）壓電按鈕點(diǎn)火器；（2）預(yù)應(yīng)力壓電隔膜材料，將產(chǎn)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(yuǎn)程控制器的運(yùn)行供電。
EH系統(tǒng)本身具有固有的缺點(diǎn)：環(huán)境能源的間歇性。由于在很長一段時(shí)間內(nèi)環(huán)境能源的不可用性，使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的可靠性受到影響。為了增加無線傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的可靠性，研究了兩種類型的HEH方法。已經(jīng)提出的WEH和SHE混合機(jī)制能夠同時(shí)收集這兩種能源，從而大大延長了傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。但是將這兩個(gè)不同特性的能源結(jié)合在一起時(shí)，必然產(chǎn)生兩個(gè)不同源和負(fù)載之間的阻抗不匹配問題。因此，每個(gè)能源都有自己的功率管理單元，在各自的MPP上運(yùn)行。WEH子系統(tǒng)使用仿真電阻技術(shù)，而SHE子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用恒定電壓技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在平均風(fēng)速為4m/s，以及平均太陽輻射照度為80W/m2的條件下, 優(yōu)化的HEH系統(tǒng)收集的平均電功率是22.5 mW，這幾乎高于基于信風(fēng)能源的三倍。
在HEH的其他研究中，提出將室內(nèi)環(huán)境光與從兩個(gè)能源收集的輸出功率相結(jié)合，并使用一個(gè)功率管理電路的THE機(jī)制，從而延長無線傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。針對多個(gè)能源，通過避免單個(gè)功率管理電路的使用，使得在HEH系統(tǒng)的組件數(shù)量減少，因此系統(tǒng)的形狀系數(shù)，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(huán)電壓反饋控制上同時(shí)實(shí)施，在寬泛的運(yùn)行環(huán)境下，以確保鄰近的最大功率從兩個(gè)能源到與其相關(guān)的負(fù)載上傳輸。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)化的HEH系統(tǒng)在平均室內(nèi)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(tǒng)的基于信風(fēng)能源所獲得功率的三倍。
除了EH，本項(xiàng)研究也證明了另一種方法，即通過無線功率傳輸（WPT）機(jī)制為低功率的電子設(shè)備供電。WPT機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)射機(jī)供電，該發(fā)射機(jī)以無線方式發(fā)送10個(gè)12位數(shù)字編碼數(shù)據(jù)包到遠(yuǎn)程基站。為了延長WPT的距離，證明自諧振線圈以一種強(qiáng)耦合方式運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示W(wǎng)PT系統(tǒng)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(gè)階段，提出的EH原型概念已經(jīng)得到證明。研究EH系統(tǒng)在無線傳感器供電過程中的特性，并在實(shí)驗(yàn)室用不同的運(yùn)行環(huán)境對其進(jìn)行測試。此外，根據(jù)它們的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)一步對EH原型進(jìn)行優(yōu)化。然而，現(xiàn)實(shí)中部署區(qū)域的環(huán)境條件并不像實(shí)驗(yàn)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(shí)施到一系列的具體應(yīng)用中，試圖評估出EH系統(tǒng)在很長一段時(shí)間內(nèi)現(xiàn)實(shí)部署環(huán)境下的性能。為了EH機(jī)制的成功應(yīng)用，將介紹關(guān)于能源損耗的整體系統(tǒng)的優(yōu)化，包括WSN在整個(gè)鏈條（即，從感知環(huán)境參數(shù)到可靠地傳輸和傳遞已感知的參數(shù)）中的循環(huán)運(yùn)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
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