无线传感器网络的能量收集系统

逍遥设计自动化

引言
6 c5 }5 [* ]: k' U9 o能量收集技术在为远程部署的无线传感器网络(WSNs)供电方面具有重要作用。本文探讨能量收集系统的基本原理，特别关注用于WSN应用的基于振动的能量收集器。
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& F$ o4 j" m+ m7 |0 L% I& V现代WSN由多个需要连续供电的传感器节点组成。这些节点通常包括传感器、模数转换器、无线发射/接收器和电源等组件。虽然传统上使用锂离子电池供电，但现在需要可以从环境中收集能量的可持续供电解决方案。

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. X. D. M5 a/ ]# ?" Z9 s% E4 G' s图1：无线传感器网络(WSN)的各功能单元示意图，包括传感器、处理器、存储器和收发器组件。
( M" I. h& w  r, O/ P* k
WSN节点的功耗因工作模式而异。商用传感器节点（称为"motes"）在空闲、接收或发送数据时消耗不同的功率。例如，某些节点在睡眠模式下仅需要纳瓦级功率，但在主动发送或接收数据时会消耗微瓦级功率。

" Q4 J. P+ s7 \) ~  }5 H$ i能量收集技术类型
可以将多种能量收集技术与WSN集成以实现持续运行。主要类别包括：
% v2 t6 d! U5 N1 \& h1. 动能收集：
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从机械应力、振动和声波中收集能量

可利用电磁、静电或压电机制

特别适用于具有自然振动源的应用
' L' a( [% K, m) \$ G. ]# c$ B
% B: y& r- e6 t0 J6 i8 }2. 太阳能收集：

使用光伏电池将光转换为电能

适用于户外和室内应用

可显著延长传感器节点的电池寿命
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; n! o9 s2 U/ j3. 热能收集：

利用温差发电

适用于工业应用和人体供电器件

可同时作为收集器和传感器

3 o4 y* k+ r+ M, {  D4. 射频能量收集：
2 U! N4 k2 h, v, h  O+ N

捕获射频信号中的能量

适用于射频信号强的区域

可为毫米级传感器供电
' R; U! c" f" z4 r& f0 w+ y

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图2：基于振动的微型发电机通用模型，展示用于从环境振动中收集动能的弹簧-质量-阻尼系统。

% E0 s) z: C. }基于振动的能量收集器
在各种能量收集技术中，基于振动的系统由于可靠性高且环境中振动源广泛存在而具有优势。这些收集器通常在30 Hz到2000 Hz的频率范围内工作，具体取决于应用。

振动能量收集器使用三种主要转换机制：
+ T7 E1 ]. a4 }' j: O, n$ {. u8 N

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, j8 |- Y6 {! I2 x图3：电磁能量收集器设计，显示固定磁铁和可移动组件的排列，通过电磁感应产生电流。
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7 L; P( P) M: N, z" o3 v

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图4：静电能量收集器，展示用于通过电容变化收集能量的固定和可移动电极的边缘型排列。

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8 m, T4 A0 l) o& d+ R图5：压电能量收集的悬臂梁设计，显示固定端、自由端和地震质量的排列。
% [0 a$ r2 R8 m" l
1. 电磁收集器：
7 ~& j! a7 [5 q! n8 e2 K基于法拉第电磁感应定律工作，通过磁铁和线圈之间的相对运动发电。虽然有效，但由于制造复杂性，在MEMS技术中实现较困难。
* l& t8 Y1 Z! K$ _5 t: X
+ c8 x, n  a8 D& A  N2. 静电收集器：
基于可变电容结构，通过电荷分离收集能量。适合MEMS制造，但需要初始电压源才能工作。

4 a! ?6 ], C; Q3 }' A3. 压电收集器：
利用压电效应将机械应变转换为电荷。在MEMS实现中具有多个优点：

设计和操作原理简单

直接将机械能转换为电能

与标准MEMS制造工艺兼容

无需外部电压源
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2 w9 _  R9 b0 a压电方法通常采用一端固定、自由端带有地震质量的悬臂结构。悬臂的共振频率必须与环境振动频率匹配才能实现最佳发电效果，这由弹簧常数和地震质量特性决定。
& t! o: H/ m5 @. E: X1 x/ I
6 F: H6 z6 l. H7 O为提高稳定性和可靠性，研究人员开发了两端支撑的导向梁设计。这种配置减少了振动过程中的残余应力，防止与封装层碰撞造成的潜在损坏。

7 T+ s! Y6 P; h# ^基于振动的能量收集器的成功主要取决于能否在与目标环境匹配的频率下工作。对于许多实际应用而言，这意味着需要设计能够有效收集低频振动能量，同时保持长期稳定可靠运行的系统。
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通过精心设计和优化这些能量收集系统，可以为无线传感器网络创建自持续供电源，消除更换电池的需求，实现从结构健康监测到医疗植入物等各种应用的真正自主传感系统。

参考文献
[1] S. Saxena, R. Sharma, and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," in Energy Systems in Electrical Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

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