基于振動能量俘獲的無線傳感器自供能技術研究現狀及發展趨勢

摘要：傳感器作為獲取監測信息最基本、最重要的單元，已經廣泛的應用于各專業領域，成為各個領域不可或缺的重要技術支撐。而傳統的鋰電池由于其自身的缺陷，已無法滿足傳感器的要求，本文介紹了通過自供能技術，來滿足傳感器能量需求問題的研究現狀，以及未來發展方向

關鍵詞：無限傳感器；自供能技術，壓電俘能器

1.無限傳感器應用場合與供能方式

近年來興起的由大量分布式無線傳感器節點的面向目標的實時監測網絡（無線傳感器網絡）[1-3]，因傳感器占用空間小和無線數據傳輸方式的優點突出，對應用環境的要求比較低，特別適合應用于工作環境比較惡劣的場合，被認為是未來傳感器技術的發展方向。但是無線傳感器技術并沒有像我們想象的那樣迅速市場化，其中最主要的問題是傳感器的能量供應問題[4-6]。按供能方式可以將傳感器分為兩種：有源和無源傳感器。有源傳感器采用電池供電，傳感距離非常遠，可采用各種電路，控制處理方便靈活，目前已被廣泛應用。但是，電池供電的缺點如下：電池的壽命有限，需要定期更換，電池最大的能量密度為3.78KJ/cm3，這就是說，如果一個微功率電子器件的功率是1mW，它工作10年就需要100cm3電池供電，這就使器件的體積大幅度增加，電池的輸出功率也不穩定，它會隨著時間的推移，輸出功率和電壓慢慢降低，這對一些特殊用途的器件將是致命的打擊[7]。

目前有很多電子器件應用到很難或者根本就不可能更換電池的地方，例如野生動物身上的跟蹤器、野外的無線傳感器等等，這些系統如果想要正常長期的工作需要能量自給。

因此，供能問題已成為無線傳感器發展的瓶頸，能源技術成為無線傳感器網絡研究的核心課題之一。

為了實現對無線傳感器的供能，人們提出了自供能技術。它是一種通過收集周圍環境中其他形式的能量如振動能、風能、聲能、熱能、電磁能等，并將其轉化為電能[8-10]，為傳感器或其他電子設備提供安全、穩定、高效、理論上無壽命限制的電能供應技術。與機械振動能相比太陽能、風能等都受外界天氣的影響比較大，在晴天的情況下太陽能的功率密度可以達到15000，在陰雨天氣太陽能的功率密度只有150。太陽能的功率密度在晴天和陰天的時候相差100倍之多[11]。風能區域性的特點又比較明顯，在微電子器件的能量自給上，機械振動能的回收再利用成為了焦點。

振動是自然界中最常見的一種現象，存在于工業經濟的各個部門，例如機械工業、汽車工業、電子工業化工工業、航空航天工業等，而振動中所包含的能量也成為關注的焦點，有時候這些能量是有害的，例如管道的振動會降低管道的實用壽命、飛機機翼的振動會增加空難的幾率等。如何合理的利用這些能量將是科學家研究的焦點。

綜上所述，通過收集振動能量，將振動能轉化為電能，為無線傳感器供電能很好的解決無線傳感器供能困難問題。大大的拓寬無線傳感器的應用領域。

2.國內外研究現狀和發展趨勢

當前，無線網絡傳感器的能量來源主要采用是電池，很難獲得長久的電池使用壽命。采用電池供電，為了延長節點的使用壽命，只能減小系統功率，或者增加休眠時間，這兩種方法都有很大的局限性，無法從根本上解決節點能量供給問題。

然而如果利用能量采集或能量挖掘技術使無線傳感節點從環境中挖掘能量，具有能量補充的能力，從而使無線傳感節點避免能量單向遞減過程，并進一步利用能量管理與能量轉移技術達到無線節點的永久壽命與無線傳感網絡無限使用的目的，將從根本上解決節點的能量供給問題。

目前，有些研究工作提出了一些用環境能量給無線網絡傳感器節點能量供給的原型。UCLA的設計就描述了一種能量供給系統，它給早期的MlCA微塵供電[12]，該節點有比較大的能量需求。UCLA的設計有一個次級能量存儲器，該存儲器由一個NiMH可充電電池和一個控制能量轉移的簡單硬件部件組成由于太陽能直接進入電池，因此過多地消耗了電池的充放電周期。這就限制了系統的壽命，系統壽命最多兩年。這樣的壽命并不比單靠電池獲取能量的系統長多少，更不用說永久供電了。PicoRadio考慮了可充電電池，但是由于可充電電池有限的充放電周期，系統只使用了電容而沒有使用可充電電池。當能量源消失的時候，系統只能在幾個小時內使用存儲的能量。MIT的Cricket包含一個電容以緩沖電流沖擊，但是如果沒有恒定的太陽能輸入則不能工作。TelosMote系統通過選擇容量最優的超級電容，減少使用次級的鏗電池，解決了充電周期的問題，延長了系統的壽命[13]，但是由于沒有最優地使用能量存儲模塊，限制了系統更多地利用環境能量，從而且限制了無限傳感器網絡的應用范圍。

MIT媒體實驗室一項早期研究考察了從各種人體運動中收集能量的可能性[14]。Shenck&Paradiso在2001年證實行走產生的能量可以利用壓電陶瓷片收集[15]。自此，不同結構的壓電元件被用于各種要求的能量收集。隨后，Rome and Kuo在2005年對負重行走中的能量進行了研究[16]。Granstrom在2007年研究了利用背包肩帶進行能量收集[17]。Elvin在2001年和2003年將壓電元件同時做發電機和傳感器，計算了壓電傳感器為無線通信系統供電的性能指標，評價了自供電傳感器系統的可能性[18]。Elvin在2006進一步指出從各種公共設施，如橋梁、大樓的振動中收集能量的可行性[19]。Roundy&Wright在2004年分析并開發了基于雙層彎曲結構的壓電發電器，并將其作為發電機優化設計的基礎[20]。Renaud在2007年研究壓電彎曲結構在沖擊和振動能量收集方面的特征[21]。Kim and Ericka在2005年模擬并設計了一種壓電板，用于從脈沖壓力源中收集能量。Yang在2007年分析了矩陣板壓力發電器[22]。Guigon在2008年研究了利用壓電板從水滴沖擊中收集能量的可能性，其能量收集的方式是利用條狀的壓電聚合物從海水和河水的水流中收集能量，將離子聚合物金屬復合材料作為換能材料進行能量收集[23]。

綜上所述，反映了現今大多數環境功率系統的結構，它們主要由三個部件組成：能量源，能量俘獲存儲器和耗能部件。能量源在特定環境條件下利用環境能源，提供一定的電流。耗能部件，譬如無線傳感器節點，有各種運行模式，不同運行模式下都有一定量級的電流消耗。能量存儲器積累能量，為耗能部件供應能量。這些系統都又各自的特點，在一定的程度上解決了無線傳感器網絡節點的能量供應問題，但是，正如上所述，它們都各自又自己的局限性，沒有能從根本上解決傳感器節點的能量供應問題。

參考文獻：

[1]黃金鑫?；诳臻g電磁能的無線傳感器自供能技術研究，2012，山東大學。

[2]余勇，呂偉剛.無線傳感器網絡路由協議研究進展及發展趨勢[J].計算機應用研究，2008，25（6）：1616-1621

[4]胡冠山，姚彥青。無線傳感器能量收集管理技術[J].傳感器世界，2006，（3）：33-36

[5]卞雷祥，文玉梅，李平.微型傳感器自供能技術[C].中儀器儀表學會第八屆青年學術會議，2006年7月28日，大連，：297-298

項目：浙江省大學生科技創新活動計劃項目（2016R471008）

作者簡介：胡志通（1995-），男，在讀大學生.