無線攜能傳感器網絡的應用研究

王云昊 王軍琴

【摘 要】本文針對近年來傳感器網絡能源受限問題提出了無線攜能通信技術的發展與應用，在建立RF能量收集網絡架構的基礎上，著重分析數據與能量同時傳輸的方法；搭建RF能量收集接收器硬件結構；分析最優化資源分配策略，從而實現能量的無線傳輸與存儲，為傳感器節點供應持久的電能，替代了原有的電池供應。

【關鍵詞】無線攜能；無線傳感器；RF能量收集網絡

中圖分類號： TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0041-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.016

【Abstract】This article aims at the problem of power limitation in sensor networks in recent years， simultaneous wireless information and power transfer is proposed. On the basis of RF power collect network， simultaneous wireless information and power transfer is analyzed， hardware configuration of the RF power collect network is build， and optimize resource allocation strategy is analyzed. So the wireless power transfer and storage is realized. It can provide continuous power for sensor nodes. Original battery supply is replaced.

【Key words】Wireless power transfer；Wireless Sensor Networks；RF power collect network

0 引言

在過去的十幾年，無線傳感器（wireless sensor networks，WSNs）將信息科學與真實的物理環境融合一起，廣泛地應用于軍事國防、環境監測、醫療保健、生態管理、搶險救災與工業、農業控制等領域，大大的提高了人們認知世界、控制世界的能力，方便了人們的生活。但是，無線傳感器網絡節點大多采用電池供電，隨著應用范圍的擴大，大量的電池更換很大程度上增加了網絡維護成本。并且，很多傳感器網絡（如生命體征監測、心臟起搏等）由于長時間工作在人體內，如果電池電量耗盡，將需要二次手術植入更換，使患者身體受到二次傷害的同時造成了能源的大量浪費，污染環境。為了解決傳感器網絡中能量受限的瓶頸問題，無線攜能通信（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）技術應運而生，它旨在完成信息無線傳送的同時實現能量的無線傳輸，從而能夠達到節能減排，實現綠色通信的目的。

1 系統模型

要完成無線傳感器攜能通信的任務，首先要建立適用于無線傳感網的攜能通信新模型。此模型是利用射頻承載無線功率來完成能量傳輸的，這樣傳感器網絡節點就可以從自身所處自然環境中獲取如太陽能、風能、震動[2]等能量進行無線收發，從而在監控中心、無線傳感器移動終端形成無間斷的電池供應，解決了無線終端的電源受限問題。

在無線傳感器網絡中，無線攜能通信主要體現在下行鏈路中，如圖1[1]所示，這也是信息量比較小的鏈路層。

圖1中的網關節點是一種主要用于感知層與基站、中繼或無線路由器通信的用戶設備。通常信息網關與RF能量發射機是由連續的、固定的電網提供電能。而RF能量收集與信息接收區域需要從信息網關獲取能量，RF能量收集區域的傳感器節點既可以從能量發射機收集能量，也可以從附近信號塔獲取，而信號接收區域的傳感器節點只需要從信息網關解碼接收信號即可。

2 攜能接收機結構設計

適用于RF能量接收機的方案很多，有多天線接收機、分時接收機、單天線接受機等接收機結構。由于無線傳感網絡是在低功率區域收集能量的，且單天線配置可以使接受結構尺寸較小，方便應用于狹小空間，因而采用單天線傳輸來設計。

2.1 單天線能量接收機結構

單天線能量收集器和信息接收器共用一根天線，采用功率分割的方式進行能量和信息的接收。圖2[2]為單天線能量傳輸的功率分割情況。在此結構中，能量收集和信息解碼接收是同時進行的，只是能量收集部分分割的功率，而信息接收部分分割能量，同時將收集的能量存儲在充電電池中備用或直接作用于傳感器節點。

2.2 整流電路設計

能量接收端是通過線圈、電容組成的選頻網絡、整流電路以及穩壓器作用到傳感器節點以完成充電的。圖3[3]為整流電路示意圖。它由阻抗匹配電路、肖特基整流二極管（之所以選擇肖特基二極管是因為它能在較小的電壓下獲得較大的電流，且器件恢復時間短）以及濾波電路組成。其中，阻抗匹配通過使天線和負載的阻抗匹配從而達到最大的輸出電能；再通過整流得到脈動的直流電；最后通過濾波器濾掉高次諧波得到標準的直流電，以供傳感器節點使用。

3 結論

無線攜能通信最主要的問題是實現能量的傳輸與儲存，本文通過分析首先選用單天線作為能量接收方式；后經過合理的功率分割將信息傳輸與能量收集作了較好的折中；最后分析了整流電路中各部分的作用及器件選擇，完成了整個設計。本設計能夠較好的解決無線傳感器網絡遇到的能量受限問題，從而做到綠色通信。

【參考文獻】

[1]王世強，邢建春，李決龍，楊啟亮.面向無線傳感器網絡的無線攜能通信研究[J].傳感器與微系統，2015，（34）： 46-49.

[2]朱嘉誠，陳東華，賀玉成.基于大規模天線技術的攜能傳輸功率分配研究[J].計算機應用與軟件，2017，（8）：157-161.

[3]平鵬飛.無線傳感器攜能通信系統的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2014.