基于壓力能量采集的無源標簽節(jié)點設(shè)計

黎明曦， 孫玉繪， 朱 靜， 袁宏偉(1.傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，上海 00050； .解放軍陸軍軍官學院 軍事測繪教研室，安徽 合肥 30031)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

基于壓力能量采集的無源標簽節(jié)點設(shè)計

黎明曦1,2， 孫玉繪2， 朱 靜2， 袁宏偉2
(1.傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200050； 2.解放軍陸軍軍官學院 軍事測繪教研室，安徽 合肥 230031)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是無線網(wǎng)絡(luò)的主要形式之一，廣泛用于環(huán)境數(shù)據(jù)的感知監(jiān)測及相關(guān)應(yīng)用。節(jié)點能耗控制一直是影響WSNs發(fā)展的關(guān)鍵因素，現(xiàn)有對于無源節(jié)點的研究多基于在現(xiàn)有節(jié)點上加裝能量采集模塊為其供電。由于沒有改變節(jié)點的運行機制，因此存在實現(xiàn)成本高、可靠性差等缺點。本文提出了一種無源標簽節(jié)點的設(shè)計方案，通過采用轉(zhuǎn)換外部壓力能供電，使其同時具備了傳感器節(jié)點的運算處理能力和RFID標簽的無源工作特性。實驗結(jié)果證明，設(shè)計的無源標簽節(jié)點可以將瞬時壓力轉(zhuǎn)化成電能并完成采樣、計算、存儲等工作。

無源標簽節(jié)點； 壓力薄膜； 能量采集

0 引 言

傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)應(yīng)用和發(fā)展的重要因素之一。現(xiàn)有的傳感器節(jié)點多是采用攜帶電源的方式實現(xiàn)節(jié)點的能量供應(yīng)。但是，由于節(jié)點體積和制造工藝的限制，現(xiàn)有的節(jié)點能源可維持的傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期十分有限，而研究多著眼于對節(jié)點運行機制的優(yōu)化設(shè)計，以達到在一定程度上節(jié)約能量消耗提高網(wǎng)絡(luò)運行生存期的目的。

隨著微電子技術(shù)、無線射頻技術(shù)和自然能采集技術(shù)的發(fā)展，從自然界獲得能量已經(jīng)成為可能[1-2]。常見的可用自然能資源包括太陽能，無線能源，風能，地熱等[3]。對于傳感器節(jié)點來說，無線電能源和太陽能是現(xiàn)在研究比較成熟和應(yīng)用較廣的兩種能量獲取手段[4-5]。自然能獲取技術(shù)使得傳感器節(jié)點的工作不再受到能量供應(yīng)的限制，通過在傳感器節(jié)點上裝載適合應(yīng)用環(huán)境自然能采集模塊可以保證節(jié)點工作所需的能量，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正具備長時無人值守運行的能力。另一方面,用能源采集模塊替代傳統(tǒng)節(jié)點電源也使得節(jié)點的體積更小、重量更輕，且成本更低。通過結(jié)合傳感器節(jié)點和RFID標簽的特點構(gòu)造具備計算和存儲功能的傳感器標簽節(jié)點，可以使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造和通信更加靈活[6-8]。

1 相關(guān)工作

傳統(tǒng)的RFID射頻標簽只具備簡單的數(shù)據(jù)存儲能力，不具備計算能力和處理能力[9-10]。而其接收和存儲數(shù)據(jù)的能源主要依靠采集接收到的Reader發(fā)送的無線電信號能源。Davids等提出可以使用Reader無線通信信號中的射頻能量供應(yīng)低能耗節(jié)點的短時間運行[11]，考慮到傳感器節(jié)點的工作符合短時間運行，長時間休眠的特點，這種能量獲取和供應(yīng)模式完全可能運用在傳感器節(jié)點上。隨后，他們設(shè)計了一種可以使用無線射頻能量作為唯一能量來源的傳感器標簽節(jié)點：WISP，并在許多領(lǐng)域進行了廣泛的應(yīng)用[12-15]。之所以把WISP稱為傳感器標簽節(jié)點是因為它具備一般傳感器節(jié)點的感知/處理和計算能力，但是卻采用RFID標簽的能量供應(yīng)和通信模式。

WISP的研發(fā)提出了一種全新的傳感器節(jié)點設(shè)計方法和運行機制。但是Reader的通信距離和點對點星型網(wǎng)絡(luò)的特點制約了WISP節(jié)點的應(yīng)用。Vincent Liu提出了一種可采集TV射頻信號和蜂窩式數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號能量的節(jié)點[16]，這種節(jié)點的結(jié)構(gòu)和WISP類似，但是采用了更加精巧的天線和能量轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計[17-20]。Vincent Liu對其性能進行了評估，實驗結(jié)果表明這種節(jié)點可以正常工作在各種TV射頻信號和蜂窩式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中。

這兩種無源傳感器標簽節(jié)點的設(shè)計都將無線電信號作為主要的能源供應(yīng)來源。但是這種能源供應(yīng)機制仍然存在缺陷：首先WISP中使用的能源獲取機制決定了該節(jié)點的運行為被動開啟，即由使用者通過Reader照射以啟動節(jié)點任務(wù)，這樣的工作形式在許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無人值守區(qū)域監(jiān)控應(yīng)用中并不適用(這一類應(yīng)用需要節(jié)點具備根據(jù)外界擾動自主激活運行的能力)；在AMB 節(jié)點的使用中，TV射頻信號和蜂窩式無線射頻信號是節(jié)點能量的來源,Vincent Liu也提到，節(jié)點在靠近發(fā)射基站時能正常工作，但是當節(jié)點遠離發(fā)射基站或者工作在無線射頻信號覆蓋不好的區(qū)域，則其可靠性就大打折扣。為了解決這個問題，我們打算引入其他的自然能獲取方式，以期獲得更好的效果。

壓力傳感器作為一種常見的傳感器設(shè)備，主要用于獲取由于外界影響所造成的局部壓力變化，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[21-22]。國內(nèi)外對于壓電傳感器及其應(yīng)用研究較多，且已有成熟的應(yīng)用產(chǎn)品，例如車輛超速測量、闖紅燈檢測等[23-25]。

2 基于壓力能量采集的無源標簽節(jié)點設(shè)計

2.1 需求分析

無源標簽節(jié)點設(shè)計的關(guān)鍵在于對能量采集模塊的設(shè)計。在常見的傳感器應(yīng)用中往往是對于環(huán)境中特殊的沖擊型能量擾動進行探測，而這些擾動可以產(chǎn)生足夠的能量以完成低功耗微處理器的工作。現(xiàn)已應(yīng)用的基于壓電薄膜的交通測速系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 基于壓電薄膜的交通測速系統(tǒng)

6 其中壓電薄膜一般不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，只是當有車輛通過時(碾壓時產(chǎn)生的沖擊能量信號)才進行信號采集并返回數(shù)據(jù)。圖2是對交通用壓電薄膜的沖擊實驗(腳踩)結(jié)果。

圖2 壓電薄膜沖擊實驗結(jié)果

根據(jù)初期的實驗可知,以壓電薄膜探測的外界壓力變化情況為例，傳感器在實際應(yīng)用中可由外界能量擾動中獲取客觀的能量，結(jié)合WISP節(jié)點和AMB節(jié)點的能量獲取機制，可以將節(jié)點需要探測的外界擾動信號作為能量的來源，完全適用于基于事件驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行模式。由此可見，對于標簽節(jié)點的設(shè)計應(yīng)解決：① 盡量降低工作能耗；② 采用合適的能量采集壓電傳感器；③ 可靠的蓄能穩(wěn)壓模塊。

2.2 標簽節(jié)點設(shè)計

考慮到標簽節(jié)點的無源特性，其對能量消耗的要求較高。因此，設(shè)計時選用了具備超低工作功耗的MSP430芯片系列中的MSP430F2132，其工作電壓最低位1.8 V，休眠模式電流僅為0.1 μA，如圖3所示。

圖3 MSP430超低功耗微處理器

為了能提供給標簽節(jié)點足夠的能量，需要選用合適的壓電薄膜將外部壓力轉(zhuǎn)換成沖擊電信號，以提供給后續(xù)蓄能穩(wěn)壓模塊足夠的能量。本文中為驗證標簽節(jié)點設(shè)計的通用性，采用了常見的MEAS壓電薄膜作為功能模塊，如圖4所示。由此可得壓電傳感標簽節(jié)點結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖4 實驗節(jié)點和MEAS壓電薄膜

圖5 壓電傳感標簽節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

其中射頻電路采用與WISP節(jié)點相同的UHF射頻通信模塊，用以實現(xiàn)與Reader的通信。壓電薄膜感應(yīng)到外界有壓力變化時，將產(chǎn)生一個沖擊電信號，通過對該沖擊電信號進行處理可得出一個微小時段內(nèi)的穩(wěn)定電壓。在這個微小時段內(nèi)，低功耗的MSP430處理器被激活，并完成若干次采樣工作，將采樣所得數(shù)據(jù)寫入存儲模塊，隨后能量耗盡，標簽節(jié)點進入休眠狀態(tài)(實際上是完全停止工作，等待下一次激活)。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗設(shè)備是與解放軍理工大學合作研制的被動標簽節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗套件，如圖6所示。

圖6 被動標簽節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗平臺

從圖2的實驗結(jié)果可以看出，在擠壓MEAS壓電薄膜時，瞬時最高電壓可達20 V以上，持續(xù)時間一般在5 ms左右，可以支持超低功耗MSP430芯片完成若干個周期的計算，在該時間段內(nèi)足以完成少量計算工作和數(shù)據(jù)讀寫操作。通過設(shè)計合適的壓電拾能器，即可實現(xiàn)對沖擊電信號的調(diào)整，文中壓電拾能器采用LINEAR公司的壓電能量采集芯片LTC3588-1，并搭建匹配外圍電路，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在隨后的實驗中使用直流電源模擬壓電薄膜的輸出電壓，如圖8中通道1所示，該電壓信號經(jīng)過拾能器處理后，得到通道2所示波形。通道2的電壓信號足夠驅(qū)動傳感器進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作。

圖8 壓電拾能器能量采集結(jié)果

4 結(jié) 語

本文將壓力能量作為節(jié)點工作的功能方式，解決了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量供應(yīng)瓶頸，使得傳感器節(jié)點具備RFID標簽的被動通信特點，從而使得其真正具備長時間值守的能力。同時，克服RFID標簽無法進行持續(xù)時間段數(shù)據(jù)采集的弱點，使得標簽節(jié)點具備中長距通信能力，數(shù)據(jù)持續(xù)采集存儲能力和一定的計算處理能力。實驗結(jié)果表明，文中設(shè)計的標簽節(jié)點可以正常工作，其供能機制可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，使其具備真正的無人干預(yù),長期值守的能力。

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Full Passive Tag Node Based on the Energy Collection Mechanism of the Pressure

LIMing-xi1, 2,SUNYu-hui2,ZHUJing2,YUANHong-wei2
(1. State Key Laboratory of Transducer Technology，Shanghai 200050, China; 2. The Department of Military Surveying and Mapping Engineering, Army Officer Academy of P.L.A, Hefei 230031, China)

The wireless sensor network (WSN), as a major form of wireless networks, is widely used in many applications such as the monitoring of environmental data. In order that the energy control mechanism is a main factor in the development of WSNs, the research in full passive sensor nodes is becoming a hot issue. Most existing researches on the full passive nodes are based on fixing an energy acquisition module on nodes for the power supply. These solutions which have no redesign node have such disadvantages as the high consumption, the low reliability in real applications. In this paper, we proposed a full passive tag node design based on the collection mechanism of the pressure. The full passive tag node can work without individual energy modular as an RFID tag, while it manages the information as a sensor node. The experiment proved that the full passive node we designed in this paper can accomplish the information sampling, computing and storing by the energy of the pressure in an instance.

full passive tag nodes； piezoelectric film； energy collection

2014-04-17

國家自然科學基金(61170233, 61232018)；傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室基金(skt1206)；安徽省自然科學基金青年項目(1408085QF124, 1408085QF129)；安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(KJ2013A255)和六安市定向委托皖西學院產(chǎn)學研合作項目(2012LWA015)資助

黎明曦(1983-)，男，江西南昌人，講師，主要研究方向：傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)，分布式安全。

Tel.：15055178350；E-mail：keeperlmx@gmail.com

TN 98

A

1006-7167(2015)02-0050-04