采用能量收集技術(shù)解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如果要實(shí)現(xiàn)其在現(xiàn)場的目標(biāo)，則需要特別注意電源管理。將能量收集技術(shù)集成到您的設(shè)計(jì)中可以大大有助于解決問題。

功率吝嗇的傳感器，微控制器和RF收發(fā)器的可訪問性和性能的提高正在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛力，這些網(wǎng)絡(luò)由能量收集技術(shù)獨(dú)家供電或補(bǔ)充。超低功耗無線協(xié)議開始獲得廣泛的行業(yè)認(rèn)可，標(biāo)準(zhǔn)正在積極開發(fā)中。傳感器網(wǎng)絡(luò)不受電源或電池電源的影響，可以提高可靠性，降低維護(hù)成本，提高安全性和廣泛部署。

僅在幾年前無法想象的應(yīng)用現(xiàn)在可以通過能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)。新推出的電源管理產(chǎn)品可將各種能量收集傳感器（熱電發(fā)電機(jī)，光伏，壓電，電磁）的不便，間歇且通常微不足道的輸出轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代電子設(shè)備的可用電源。使用這些電源管理器件進(jìn)行指定，分析和設(shè)計(jì)的新方法對(duì)于充分利用各自能量傳感器元件和最終由它們供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)電子器件的能力是必要的。

無線傳感器并不是新的，通過使用能量收集技術(shù)半自動(dòng)或完全自主，需要正確選擇和設(shè)計(jì)能量傳感器和電源管理設(shè)備。典型的無線遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)如圖1所示。到目前為止，該系統(tǒng)中缺失的鏈路一直是電源管理解決方案?？捎糜谔峁┕β实膿Q能器通常非常不方便 - 產(chǎn)生非常低的電壓，低阻抗輸出或非常高的電壓，高阻抗輸出。該系統(tǒng)中的各種元件可以進(jìn)一步細(xì)分為電力生產(chǎn)商/監(jiān)管機(jī)構(gòu)（換能器和電力管理）和電力用戶（其他所有）。如果能量收集平均輸出功率能力超過遠(yuǎn)程傳感器電子設(shè)備所需的平均功率，則可以使用自治系統(tǒng)。

圖1：典型的無線傳感器系統(tǒng)。 br》在開始任何設(shè)計(jì)之前，進(jìn)行快速可行性分析是值得的。這將很快確定能量收集技術(shù)是否切實(shí)可行。第一步是確定需要進(jìn)行和傳輸測量的頻率。我們稱之為測量頻率（F）。接下來，我們可以確定傳感器需要多少處理能力，信號(hào)調(diào)理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和生成所需數(shù)據(jù)的處理，以及傳輸此數(shù)據(jù)所需的RF收發(fā)器功率和時(shí)間。

表1顯示了典型值流行的微控制器和RF鏈路系統(tǒng)的功率要求。電源要求因制造商和特定應(yīng)用而異。有許多選擇可以根據(jù)最終應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化。由此，我們可以計(jì)算出系統(tǒng)占空比和平均功率。系統(tǒng)的占空比（D）定義為：（測量時(shí)間（Tm）+處理時(shí)間（Tp）+發(fā)送時(shí)間（Tt））×測量頻率（F）。平均功率（Pa）只是總功率（P）x D +待機(jī)功率，通常小到可以忽略。

處理電流/睡眠電流處理器功率3 mA/500 nA RF鏈路20-30 mA，持續(xù)1-10 ms

表1：微控制器和RF鏈路的典型功率要求

能量收集源典型功率范圍K Solar（室內(nèi)）/戶外）單電池10μW-40 mW/cm2 0.6-0.8振動(dòng)（壓電）4μW-100μW/cm2 0.8-0.9熱（TEG）25μW-10 mW/cm2 0.3-0.5

表2：典型能源及其功率能力

例如，我們假設(shè)我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)室內(nèi)溫度傳感器。該傳感器將部署在整個(gè)大型辦公樓中，并與接近傳感器配合使用，可以檢測房間何時(shí)被占用并相應(yīng)地調(diào)節(jié)溫度。在大型建筑物內(nèi)部署這種類型的傳感器可以顯著降低年度供暖和制冷成本。傳感器在3.3 V下需要500μA，持續(xù)2 ms，以測量溫度并檢測乘員。低功耗微控制器需要再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行5 ms的操作。處理數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器在3.3 V時(shí)消耗3 mA電流。最后，RF鏈路需要30 mA，3.3 V，30 ms才能傳輸數(shù)據(jù)。所需的測量頻率為0.2 Hz（每五秒一次測量）。

Pa或平均功率，是告訴我們什么類型的能量采集傳感器的關(guān)鍵術(shù)語，如果有的話，將適合這個(gè)系統(tǒng)。表2列出了一些典型的能量傳感器及其能夠提供的典型平均功率。標(biāo)記為（K）的列是功率轉(zhuǎn)換常數(shù)，其考慮了將換能器能量轉(zhuǎn)換為可用電壓所需的功率管理塊的類型（在這種情況下為3.3V）。完美的功率轉(zhuǎn)換器具有K = 1。 K將隨所用換能器的類型而變化。一般而言，K與換能器的輸出電壓成比例。由于非常低的輸出電壓傳感器（如TEG）需要極高的升壓比和相應(yīng)的高輸入電流，因此K往往低于非常高的輸出電壓傳感器，如壓電元件。在前面的例子中，我們可以看到所需的平均功率（Pa）接近合理尺寸的壓電傳感器的上限范圍，但是在TEG和光伏（PV）傳感器或太陽能電池的能力范圍內(nèi)。系統(tǒng)環(huán)境通常會(huì)決定選擇何種類型的傳感器。在我們的示例中，我們不能依賴于始終可用的光源，因此PV傳感器不實(shí)用。我們處于壓電傳感器可行的最高端，因此我們決定使用TEG。當(dāng)暴露于溫差時(shí)，TEG利用塞貝克效應(yīng)在其輸出端子上產(chǎn)生電壓（見圖2）。

圖2：典型的TEG。

圖3：測量和發(fā)送周期期間的典型電流脈沖。

圖4：測量和發(fā)送周期期間的VOUT紋波。為了進(jìn)一步舉例，我們假設(shè)a選擇50mm 2 TEG。 TEG的一側(cè)將安裝在天花板上的HVAC管道中，另一側(cè)暴露在室溫空氣中。由于TEG具有非常低的熱阻，因此在它們之間形成合適的ΔT通常具有挑戰(zhàn)性，因此室溫側(cè)將采用散熱器。我們的測量表明，暖通空調(diào)管道表面在冬季（加熱）平均為38°C，夏季平均為12°C（冷卻），平均室溫環(huán)境溫度為25°C。通過仔細(xì)測量，我們確定當(dāng)安裝到帶有散熱器的管道時(shí)，TEG上的ΔT為?+/- 10°C。從制造商的數(shù)據(jù)手冊中我們可以看出，10°C dT的TEG VOUT為180 mV。 TEG輸出電阻（ROUT）為2.5Ω。當(dāng)TEG ROUT =功率轉(zhuǎn)換器（或負(fù)載）RIN時(shí)，負(fù)載可用的最大功率發(fā)生。

如果我們假設(shè)我們的電源管理電路的RIN接近2.5Ω，那么功率轉(zhuǎn)換器輸入可用的最大功率是180mV 2 /（2.5ωx4）= 3.24mW。我們的功率轉(zhuǎn)換器常數(shù)（K）為0.4，因此3.3 V輸出的遠(yuǎn)程傳感器可用的總功率為3.24 mW x 0.4 = 1.3 mW。由于1.3 mW比先前計(jì)算的818μW的Pa高，我們可以產(chǎn)生足夠的功率來運(yùn)行。

將TEG的極低輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需的3.3 V的電源管理電路是下一個(gè)挑戰(zhàn)。更復(fù)雜的是輸入電壓（TEG輸出）可以是正或負(fù)180mV，這取決于管道表面是熱還是冷。盡管可以開發(fā)分立電路來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，但通常很難獲得滿足系統(tǒng)要求的可制造性，小尺寸和可靠性的解決方案。此外，電路設(shè)計(jì)對(duì)雜散電容非常敏感，整個(gè)電路需要微功率才能達(dá)到額定K系數(shù)。幸運(yùn)的是，目前存在集成解決方案。使用LTC3109的示例電路如圖5所示.LTC3109可以在低至+/- 30 mV的輸入下工作，并將產(chǎn)生四種預(yù)編程輸出電壓（VOUT）中的任何一種：（2.35，3.3，4.1或5 V） ）。提供可切換的VOUT，僅在必要時(shí)為傳感器供電。 LTC3109還包括一個(gè)電源管理器，可用于存儲(chǔ)和利用過剩的能量。由于我們的典型負(fù)載功率小于可用能量，因此可以存儲(chǔ)任何多余的能量以供以后在CSTORE上使用。

圖5：LTC3109電源管理電路。圖3和圖4顯示了測量/發(fā)送周期之前，期間和之后LTC3109的3.3 V輸出。 VOUT上的電容基于一個(gè)測量/發(fā)送周期的可接受電壓下降來確定大小。在我們的例子中，我們已經(jīng)確定3.3 V輸出可以接受300 mV的電壓下降。使用先前獲得的值，我們可以計(jì)算所需的COUT：

其中：Iload = 3.3 V輸出上所有負(fù)載的總和Iavg = LTC3109的平均輸出電流dT =負(fù)載脈沖的持續(xù)時(shí)間dV =可接受的電壓下垂

圖4中的實(shí)際下降遠(yuǎn)小于300 mV 。這是因?yàn)闇y量的簡單系統(tǒng)的電流發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間較短，輸出電容較高。圖6顯示了能量采集傳感器輸入暫時(shí)中斷期間的3.3 V輸出。在這種情況下，LTC3109采用存儲(chǔ)電容CSTORE工作。對(duì)CSTORE的值沒有限制，因此可以根據(jù)需要的系統(tǒng)保持時(shí)間調(diào)整大小。

圖6：輸入源中斷期間的操作。

上面概述的基本設(shè)計(jì)過程適用于其他類型的能量收集傳感器。與壓電元件（高壓AC），電磁（線圈/磁鐵）和光伏（太陽能電池）連接的電源管理電路現(xiàn)在都很容易獲得。在所有情況下，有必要首先確定自主操作是否可行所需的平均負(fù)載功率。