采集能源定量供应：无线传感器节点功耗限制

作者：Sriram Narayanan 和 Dave Freeman，德州仪器 (TI)

如果我们周围的系统能够自己检测其环境变化并做出反应，这毫无疑问会彻底改变我们的生活。无线传感器网络就是这样一个系统，系统中的一些分布式传感器实施（节点）通过无线方式相互通信，共同对物理刺激做出响应。本文概述了节点的一些最新发展情况，帮助您了解系统级的设计方法。

图 1 显示了一个实例网络以及每个节点的子系统。基于易于部署和更低安装成本方面的考虑，各个节点都要求能够以无线方式通信。为了降低通信开销和缩短响应时间，我们希望节点能够本地处理传感器数据，并可以控制传动器。对大量的节点进行日常维护（例如：电池更换等），其成本可能会极其的高。理想的情况是仅依靠存储/采集能源传感器便可持续工作数年时间。

图 1 传感器节点通过采集能源供电，自主判断其环境变化情况，并可利用多种协议进行通信。

传感器、无线电设备和微控制器 (MCU) 的选择取决于具体的应用性质。本文重点介绍办公环境下的传感器网络，其面向的应用包括能源管理、安全或者资源规划等。

能源与存储

光能通常是室内环境下存在最多的一种环境能源形式。现代的一些太阳能电池（由非晶硅制成），在一个 200 lux 荧光灯光源的照射下，可产生约 5 uW/cm²。表 1列举出了能源获取速率的估计值，其表明一块 10 cm² 太阳能电池可产生 70–120  uW。

表 1 一般室内荧光灯照明环境下的能源获取速率近似值

微型热发电机利用一定的温度梯度来产生电能。但要产生 15 uW/cm³ 的功率密度，热采集器需要约 10^oC 的热梯度。许多应用环境，特别是室内环境，都没有较大幅度的温度波动。因此，热采集器的适用性受限于这些环境。

当今的一些振动能源采集器，需要约 1.75–2.00 g 的加速度（室内环境一般没有这么大的量级）来产生 60 微瓦的功率。

能量存储的板上容量非常有限，而采集环境能源的机会也很有限，因此需要传感器非常节省地使用能源。例如，电池容量为 100 mAh 的一块太阳能电池获得 70 uW，便可为 10 年的节点使用寿命提供一半时间的供电。该节点必须让其各子系统工作，且平均功耗不得高于 39 uW。

节点子系统

MCU、无线电设备、传感器和传动器具有极为不同的功耗/性能特性。要想满足系统功耗预算，要求传感器节点以最佳的方式管理其子系统。图 1 显示了用于实现一个节点的一些子系统。

现代的一些低功耗 MCU 工作在约 1MHz 时钟频率下时，其峰值功耗约为 345 uW。假设传感器数据处理要求一般为中等，MCU 的占空比可以极小（例如：小于1%），以降低平均功耗。

传感器节点通常以相对较低的速率，传送物理现象和相关控制消息等信息。表 2 总结了一些重要低功耗无线通信技术的显著特性。

表 2 一些低功耗通信架构比较

表 2 列举的功耗量，仅作为系统设计的一般指导原则。随着收发器设计的发展，其功耗越来越低。选择某种收发器构架时，考虑设计的各个方面很重要。无线局域网 (LAN) 收发器比 Zigbee® 收发器消耗更少的能源/比特，但其针对更高的数据速率进行了优化，峰值功耗更高。

与室内应用相关的一些传感器实例包括：温度计、温度传感器、麦克风和被动式红外传感器。现在的一些温度及湿度传感器和麦克风，峰值功耗约为 70–80 uW。能够探测人类活动的一些被动式红外传感器的峰值功耗一般为 100–500  uW。温度及湿度传感器监测缓慢变化的现象，并且工作在低占空比下，而用于探测运动的其它一些传感器关闭则会降低探测性能。在许多应用中，传感器需要比数据处理或者无线通信更多的能源。因此，满足系统功耗预算，要求使用创新的方法来管理传感器。

结论

尽管在计算、通信和传感方面都有了巨大的进步，但是缺乏足够的电源和能源，这仍然是摆在实现无线传感器网络面前的一个严峻挑战。能源采集和存储的一些技术进步在不断的缓解电源瓶颈，但终端应用的一些需求也在不断推高其要求。若想拉近这种持续存在的电源-需求差距，要求一种系统级的设计方法，对性能进行最佳的折中处理，以实现节能目的，同时保证最低限度的服务质量。未来的无线传感器节点，将会自主适应随时间变化的应用需求和能源供应。