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，需要一个电源管理威廉希尔官方网站 来将收集到的能量存储在电池或超级电容器中。电源管理威廉希尔官方网站 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