能源收集分析报告龙波.pdfVIP

能源收集分析报告 1. 引言 无线传感器网络在环境监测、智能家居、交通运输、精细农业等领域具有 广泛的应用前景, 越来越受到人们的重视。传感器节点作为无线传感器网络的重 要组成单元, 通常散布于一定的区域内协作地实时监测、 感知和采集各种环境 和监测对象的信息。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大 多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。无线传感器结点体积小 通常只能 携带能量有限的电池要延长网络工作周期结点的供电是必须考虑的问题由于传 感器结点个数多分布区域广而且通常部署环境复杂因此通过更换电池的方式来 补充能源延长使用周期是不现实的。 目前针对这一问题的研究思路主要是如何从节点所处的环境中采集能量并 进行有效的存储, 使节点具有能量补充能力从而有效地延长节点的生存周期。解 决结点的供电问题必须从能量采集的角度入手 采取有效措施使传感器结点实现 能量自给自足并高效储存。供给 使用环境中具有各种丰富的能量, 如太阳能、风能、热能、机械振 动能、声能、电磁能等。目前, 已 有一些公司研究和开发了利用环 境能量为无线传感器网络功能的 系统，如图 1 是富士通提出的一 种能量收集系统的配臵。下面对 各种能量收集技术进行综述。 图1 富士通能量收集系统配臵 2. 太阳能的采集 自然界中太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源太阳能电池就是利用光 生伏特效应制作的半导体器件又称光伏器件与传统化学电池相比太阳能电池在 转化效率设备搭建环境保护等方面具有无可比拟的优势 太阳能电池功率密度较 2 高，每cm 可获取mW 级的能量 。目前的能量收集都具有一些局限性, 如太阳 能收集模块CBC - EVAL -08 由于光伏薄膜电池收集能量较少且缺少备份能源仅 能在有阳光时工作。太阳能收集技术发展已经有很长的时间了，太阳能发电方式 有两种，一种是光—热—电转换方式，另一种是光与电直接转换方式。光—热— 电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收 的热能转换成工质的蒸汽，再驱动汽轮机发电。光—电直接转换方式该方式是利 用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装臵就是太阳能 电池。太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效 应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的 发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。 Silicon Laboratories （芯科实验室）宣 布推出业界最节能的采用太阳能收集系统 供电的无线传感器节点解决方案，如图 2 所示。这项新的参考设计使开发人员能实 现自维持的、超低功耗的无线传感器网络， 适用于家居和楼宇自动化、安全系统、工 业控制应用、医疗监视装臵、财产跟踪系 统以及基础设施和农业监视系统。 图2 太阳能收集系统供电解决方案 芯科实验室完整的能量采集参考设计包括无线网路和USB 软体，以及完整 的RF 线路配臵、物料清单(BOM) 、原理图和Gerber 档案。该设计由三个部分组 成：首先为一个太阳能供电的无线感测器节点，用于测量温度、亮度和充电量。 使用一颗 Si10xx 无线MCU 来控制感测系统和无线资料传输，一块薄膜电池用 于储存采集的能量。接著有一个无线 USB 转接器，用于连接感测器节点至 PC 以显示感测资料;该转接器由芯科实验室收发器和运行USB-HID 类别软体和无线 软体堆叠的 MCU 组成。最后则是一个无线感测器网路图形用户介面(GUI) ，用 于显示多达四个感测器节点的资料。能量采集参考设计中使用的薄膜电池具有 0.7mAh 的容量，在日光直射下，仅需2 小时即可将电池充满；在休眠模式下， 无线感测器节点可持续供电7000 小时。若无线系统不间断发射，可持续供电3 小时，而薄膜电池会不断的自行充电，维持一定电量以避免完全断电。Silicon Labs 公司的能量收集参考设计支持广泛能源，板上旁路连接器使得开发人员可以灵活 使用旁路太阳能电池，连接其它能量来源，例如动能（压电式）、热能和RF 。Silicon Labs 公司的能量收集参考设计现已上市，售价45 美元。