具有能量收集功能的自供电无线传感器节点

近年来，无线传感器节点 (WSN) 越来越受到关注。WSN 的主要优点之一是它能够持续监控各种参数的数据。例如，这些传感器用于水管系统以监测流体和流量参数。WSN 的挑战之一是其电源。它是一种电池供电的设备，一旦电池达到使用寿命，就需要更换或充电。因为 WSN 可以放置在远程位置，更换电池并不总是可行的。克服这一挑战的现有方法是向 WSN 添加能量收集。能量收集器可以从环境中收集可用能量，例如机械能、热能或光伏能，并将其转化为电能。

WSN 如何运作？

通常，无线传感器节点由四个主要组件组成：

电源

微控制器 (MCU)

通讯模块

传感器

该结构如图 1 所示，用作传感器节点的基本架构。

图 1：WSN 的架构（来源：Mouser Electronics）

设计工程师试图通过根据占空比对其操作进行编程来调节 WSN 内的功耗。这里传感器节点持续处于低功耗模式（深度睡眠），并在短时间内被激活以进行数据采集、计算、测量和通信。图 2展示了这一工作原理。

图 2：WSN 占空比图（来源：贸泽电子）

平均而言，微控制器的睡眠功耗在 nW 范围内，而当它处于活动模式时，功耗会增加到 µW 范围。然而，活动模式并不是这里的主要功耗因素，因为这通常只发生很短的时间（毫秒）。睡眠电流是从电池中吸取大部分能量的主要来源。因此，在设计WSN时，选择睡眠模式下超低功耗的MCU是必不可少的。

例如，德州仪器 ( Texas Instruments )提供超低功耗 MCU MSP430FR600x，非常适合超声波水流测量。该 MCU 在活动模式下消耗约 120µA/MHz，在待机模式下消耗约 450nA。

另一个非常适合电池供电设备的产品示例是Silicon Labs EFM32PG22 MCU。它具有 76.8MHz ARM Cortex ® -M33 处理器，在活动模式下消耗 26µA/MHz。EFM32PG22 的睡眠电流约为 1.10µA，可低至 0.17µA。

通过能量收集延长 WSN 的使用寿命

两种能量收集方法可延长 WSN 的使用寿命：

通过使用收集的能量为电池充电来延长电池寿命。

为此，需要一个电源管理电路来将收集到的能量存储在电池或超级电容器中。电源管理电路由三个主要组件组成：整流、DC/DC 转换器和存储。

整流：只有产生交流电压的能量采集器才需要整流，例如电磁式和压电式。

DC/DC 转换器：DC/DC 转换器必须调节能量采集器产生的电压，并用它为电池充电。

存储：使用能量存储元件，例如可充电电池或超级电容器。

这种方法可以在e-peas DEMPV-BLE光伏物联网演示套件上进行演示。DEMPV-BLE 是一种 WSN，其板载 35mm x 50mm 光伏太阳能电池。该套件可以测量光度、温度和湿度，并通过低功耗蓝牙( BLE ) 将数据发送到智能手机。板载太阳能电池可为套件在室内环境中运行提供足够的能量。收集的能量存储在一个 160mF 的超级电容器中，并且可以通过每 10 秒发送一次带有新测量值的信标消息来运行五个小时。

收集的能量直接用于为 WSN 组件供电，因此它变成了自供电。

这种方法将生成的能量直接提供给 WSN，无需存储元件。该方法的唯一挑战是确保收集的能量能够覆盖 WSN 的启动功率和传输功率。让我们在ON Semiconductor Zigbee Green Power Energy Harvesting Kit上对此进行解释。系统框图如图 3 所示。该套件具有开关形式的板载电磁发电机，可将产生的机械能转化为电能。每个开关按下都会为一个 33µF 电容器充电，该电容器为NCP170 供电低压差（ LDO ） 。NCP170 然后为 NCS36510 发射器提供 3.3V 电源。然后电压逐渐降低，直到 NCS36510 器件断电。这导致该设备大约有 17 毫秒的可用运行时间。设备的启动时间不到 5.6 毫秒，并且会立即传输一条消息。传输后，模块切换到接收模式以侦听来自接收器的 802.15.4 ACK（确认）。一旦收到，无线电就会断电。

图 3：Zigbee Green Power 能量收集套件系统框图（来源：On Semiconductor）

结论

我们在这里学到了什么？我们讨论了一些可用的高能效 MCU，非常适合设计 WSN。此外，我们还展示了两种不同类型的 WSN，它们可以通过能量收集来供电。一种方法是对为 WSN 供电的电池进行充电，另一种方法是 WSN 直接使用采集器产生的能量。决定为应用程序使用哪个取决于您的应用程序功耗。如果能量收集器可以覆盖您应用的功耗，那么无电池将节省时间和金钱。

审核编辑 黄昊宇