基于振动能量俘获的无线传感器自供能技术研究现状及发展趋势

摘要：传感器作为获取监测信息最基本、最重要的单元，已经广泛的应用于各专业领域，成为各个领域不可或缺的重要技术支撑。而传统的锂电池由于其自身的缺陷，已无法满足传感器的要求，本文介绍了通过自供能技术，来满足传感器能量需求问题的研究现状，以及未来发展方向

关键词：无限传感器；自供能技术，压电俘能器

1.无限传感器应用场合与供能方式

近年来兴起的由大量分布式无线传感器节点的面向目标的实时监测网络（无线传感器网络）[1-3]，因传感器占用空间小和无线数据传输方式的优点突出，对应用环境的要求比较低，特别适合应用于工作环境比较恶劣的场合，被认为是未来传感器技术的发展方向。但是无线传感器技术并没有像我们想象的那样迅速市场化，其中最主要的问题是传感器的能量供应问题[4-6]。按供能方式可以将传感器分为两种：有源和无源传感器。有源传感器采用电池供电，传感距离非常远，可采用各种电路，控制处理方便灵活，目前已被广泛应用。但是，电池供电的缺点如下：电池的寿命有限，需要定期更换，电池最大的能量密度为3.78KJ/cm3，这就是说，如果一个微功率电子器件的功率是1mW，它工作10年就需要100cm3电池供电，这就使器件的体积大幅度增加，电池的输出功率也不稳定，它会随着时间的推移，输出功率和电压慢慢降低，这对一些特殊用途的器件将是致命的打击[7]。

目前有很多电子器件应用到很难或者根本就不可能更换电池的地方，例如野生动物身上的跟踪器、野外的无线传感器等等，这些系统如果想要正常长期的工作需要能量自给。

因此，供能问题已成为无线传感器发展的瓶颈，能源技术成为无线传感器网络研究的核心课题之一。

为了实现对无线传感器的供能，人们提出了自供能技术。它是一种通过收集周围环境中其他形式的能量如振动能、风能、声能、热能、电磁能等，并将其转化为电能[8-10]，为传感器或其他电子设备提供安全、稳定、高效、理论上无寿命限制的电能供应技术。与机械振动能相比太阳能、风能等都受外界天气的影响比较大，在晴天的情况下太阳能的功率密度可以达到15000，在阴雨天气太阳能的功率密度只有150。太阳能的功率密度在晴天和阴天的时候相差100倍之多[11]。风能区域性的特点又比较明显，在微电子器件的能量自给上，机械振动能的回收再利用成为了焦点。

振动是自然界中最常见的一种现象，存在于工业经济的各个部门，例如机械工业、汽车工业、电子工业化工工业、航空航天工业等，而振动中所包含的能量也成为关注的焦点，有时候这些能量是有害的，例如管道的振动会降低管道的实用寿命、飞机机翼的振动会增加空难的几率等。如何合理的利用这些能量将是科学家研究的焦点。

综上所述，通过收集振动能量，将振动能转化为电能，为无线传感器供电能很好的解决无线传感器供能困难问题。大大的拓宽无线传感器的应用领域。

2.国内外研究现状和发展趋势

当前，无线网络传感器的能量来源主要采用是电池，很难获得长久的电池使用寿命。采用电池供电，为了延长节点的使用寿命，只能减小系统功率，或者增加休眠时间，这两种方法都有很大的局限性，无法从根本上解决节点能量供给问题。

然而如果利用能量采集或能量挖掘技术使无线传感节点从环境中挖掘能量，具有能量补充的能力，从而使无线传感节点避免能量单向递减过程，并进一步利用能量管理与能量转移技术达到无线节点的永久寿命与无线传感网络无限使用的目的，将从根本上解决节点的能量供给问题。

目前，有些研究工作提出了一些用环境能量给无线网络传感器节点能量供给的原型。UCLA的设计就描述了一种能量供给系统，它给早期的MlCA微尘供电[12]，该节点有比较大的能量需求。UCLA的设计有一个次级能量存储器，该存储器由一个NiMH可充电电池和一个控制能量转移的简单硬件部件组成由于太阳能直接进入电池，因此过多地消耗了电池的充放电周期。这就限制了系统的寿命，系统寿命最多两年。这样的寿命并不比单靠电池获取能量的系统长多少，更不用说永久供电了。PicoRadio考虑了可充电电池，但是由于可充电电池有限的充放电周期，系统只使用了电容而没有使用可充电电池。当能量源消失的时候，系统只能在几个小时内使用存储的能量。MIT的Cricket包含一个电容以缓冲电流冲击，但是如果没有恒定的太阳能输入则不能工作。TelosMote系统通过选择容量最优的超级电容，减少使用次级的铿电池，解决了充电周期的问题，延长了系统的寿命[13]，但是由于没有最优地使用能量存储模块，限制了系统更多地利用环境能量，从而且限制了无限传感器网络的应用范围。

MIT媒体实验室一项早期研究考察了从各种人体运动中收集能量的可能性[14]。Shenck&Paradiso在2001年证实行走产生的能量可以利用压电陶瓷片收集[15]。自此，不同结构的压电元件被用于各种要求的能量收集。随后，Rome and Kuo在2005年对负重行走中的能量进行了研究[16]。Granstrom在2007年研究了利用背包肩带进行能量收集[17]。Elvin在2001年和2003年将压电元件同时做发电机和传感器，计算了压电传感器为无线通信系统供电的性能指标，评价了自供电传感器系统的可能性[18]。Elvin在2006进一步指出从各种公共设施，如桥梁、大楼的振动中收集能量的可行性[19]。Roundy&Wright在2004年分析并开发了基于双层弯曲结构的压电发电器，并将其作为发电机优化设计的基础[20]。Renaud在2007年研究压电弯曲结构在冲击和振动能量收集方面的特征[21]。Kim and Ericka在2005年模拟并设计了一种压电板，用于从脉冲压力源中收集能量。Yang在2007年分析了矩阵板压力发电器[22]。Guigon在2008年研究了利用壓电板从水滴冲击中收集能量的可能性，其能量收集的方式是利用条状的压电聚合物从海水和河水的水流中收集能量，将离子聚合物金属复合材料作为换能材料进行能量收集[23]。

综上所述，反映了现今大多数环境功率系统的结构，它们主要由三个部件组成：能量源，能量俘获存储器和耗能部件。能量源在特定环境条件下利用环境能源，提供一定的电流。耗能部件，譬如无线传感器节点，有各种运行模式，不同运行模式下都有一定量级的电流消耗。能量存储器积累能量，为耗能部件供应能量。这些系统都又各自的特点，在一定的程度上解决了无线传感器网络节点的能量供应问题，但是，正如上所述，它们都各自又自己的局限性，没有能从根本上解决传感器节点的能量供应问题。

参考文献：

[1]黄金鑫。基于空间电磁能的无线传感器自供能技术研究，2012，山东大学。

[2]余勇，吕伟刚.无线传感器网络路由协议研究进展及发展趋势[J].计算机应用研究，2008，25（6）：1616-1621

[4]胡冠山，姚彦青。无线传感器能量收集管理技术[J].传感器世界，2006，（3）：33-36

[5]卞雷祥，文玉梅，李平.微型传感器自供能技术[C].中仪器仪表学会第八届青年学术会议，2006年7月28日，大连，：297-298

项目：浙江省大学生科技创新活动计划项目（2016R471008）

作者简介：胡志通（1995-），男，在读大学生.