环境监测中无线传感网络能量收集系统的调查外文翻译资料

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环境监测中无线传感网络能量收集系统的调查

Bogdan Dziadak¹⁾、Lukasz Makowski¹⁾、Andrzej Michalski^1,2)

Warsaw University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Koszykowa 75, 00-661 Warsaw, Poland

Military University of Technology, Institute of Electronic Systems Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland

摘要：无线传感器网络已存在多年，并产生了许多有趣的创新。电子，无线电收发器，IC制造过程以及用于这种网络操作的算法的开发，现在能够提供创建实际性能水平和足够数量的特征的节能装置。环境监测是成功使用无线传感器网络的领域之一。同时，这是一个设备必须带有自己的蓄电池（如电池）或从某些自然现象中局部清除能量的场地。提高能量收集方法的效率降低了WSN结构的复杂性。该调查基于现实世界中的实际示例，并概述了用于创建能量收集的节能无线传感器网络的最先进方法和技术。

关键词：环境监测，无线传感器网络，能量收集。

1简介

无线传感器网络（WSN）是一群小型测量设备，它们采用微控制器并能够相互通信，以协作方式构成一种优越的网络形式，这种形式不是这些单个对象的简单总和，而是统一的节点的虚拟有机体为了网络的共同目标。例如，网络的目标可能是监视某些现象或跟踪部署WSN的区域的某些事件。

由于其灵活性和重新配置的可能性，无线传感器网络已被广泛使用。无线传感器网络可以在医疗应用中找到，例如心脏监测和心电信号采集^[1,2]，监测结构，建筑物^[3]和工业过程^[4,5]。无线传感器网络支持后勤和传输过程^[6,7]，以及军事行动^[8]。此外，能量收集方法尤其用于环境监测中使用的WSN。

不幸的是，WSN操作存在一些不易克服的限制，特别是在可能对WSN易碎设备有害的位置。节点应该是自给自足的，因为可能无法在现场更换电池。节点被认为是一次性的，因此它们必须便宜并且大量生产。另一个问题是尽量减少处置设备对其环境的负面生态影响。因此，不应使用含锂或镉的电池。因此，能量收集方法和无电池操作是当前研究的首要议题。

下一节介绍了可用于环境监测设计的无线传感器网络的能量收集方法。第二部分介绍了无线传感器网络和状态节点开发中的艺术。

第三部分回顾了具有能量收集能力的WSN的一些应用，并专门用于环境监测。最后，本文的最后部分有结论。

2能源效率

能量收集（EH）这一术语涵盖了许多使用自然物理现象在微观电力水平下处理各种形式能量的方法。从这些来源获得的电力，通过适当的调节，可以为各种测量系统供电。关于EH设备有几个问题，第一个问题是能源生产的来源：环境还是人类^[9,10]。

环境中存在的大部分能量的特征在于能量效率的非常高的可变性，从恒定效率源开始，例如水微型涡轮机，通过周期性变化的效率源，例如光伏板，到转换动力学的脉冲源。能源转化为电能。在EH应用中最常用的是光伏，压电，热，生化和电磁现象。EH中使用的能源的能源效率非常不同。对于在户外工作的光伏电源，估计容量约为15,000mu;W/ cm3 ，室内设施迅速降至约20mu;W/ cm3 ^[11]。作为能源（使用压电效应）的机械振动或气流的预期容量水平大约为300mu;W/ cm3，这在未来的电力系统中非常有吸引力。根据它们的几何尺寸，电磁发生器可以达到几mu;W/ cm3的功率密度。人体可以是动能或热能源，其功率估计在5mu;W（动能）至约40mu;W（热能）之间^[12]。表1比较了不同的能量收集方法^[13-15]。

表1 不同能量收集方法中的功率密度

在设计无线传感器网络时，最重要的问题之一是确保节点的能量自给自足。根据现有的环境条件和特定节点的能量需求，不应选择EH的通用来源。用于环境测量的典型WSN节点的能量需求取决于其操作模式。在待机模式下，典型的能量需求估计高达十几mu;W，而在测量模式下，需求可能很小或非常大 - 在通信期间从0.1mu;W到100 mW。这些能量值可以通过仅基于EH的传感器节点中的有效电源来提供^[16]。图2.1显示了使用EH源的通用电源结构。

图2.1 EH电源结构

整流器，缓冲器和稳定器系统必须具有高能效。很难指定最佳系统解决方案，因为它们是针对特定应用和方法选择的，根据这些应用和方法，使用EH。毫无疑问，优化信号调理电路中最重要的元素是缓冲器，它们充当存储电能的元件。电池和超级电容器最常使用，因为它们连接到测量节点的质量。它们的性能和寿命取决于连续充电和放电的一小部分能量。这是持续研究的主题之一。表2列出了最常用的储能技术^[17-20]。

表2 各种能量存储类型的典型参数

EH中使用的物理现象（如下所示）的简短描述显示了它们在EH发电机构造中的潜在用途的可能性和局限性。

2.1使用动能的现象

对于人类和环境来说，动能是最容易获得的能量形式。使用EH设备组件的任何移动或变形，我们都可以将它们转换为电力。在这一组中，我们区分了三种主要现象：压电，静电和电磁（磁感应）。前两种现象可用于构建微型发电机;第三个用于总体尺寸明显更大的发电机^[11,21]。分析EH发电机的机械结构，我们可以区分两种主导结构。第一个使用具有惯性质量的元素的振动或运动，而第二个弹性变形的结构是潜在的电力发生器（例如压电效应）。

2.1.1压电发电机

经典的压电效应包括由机械变形引起的晶体在一个方向上的极化。反之亦然，外部电场会使晶体变形。这种现象可以通过晶格中的离子的运动来解释，该晶体在晶体中产生内部电场。晶体的对称程度越高，其极化方向越不清晰。在具有对称中心的晶体中，这种现象没有发生。在机械应力sigma;jk的影响下在晶体中产生的极化 Pi是线性函数（2.1）：

其中：sigma;jk是二阶张量，d^Eijk 是晶体的压电模量（系数）（在电场强度E的固定值下测量），它以定量方式指定其压电特性。

压电模量 d_ijk产生三阶的张量。它们也可以用索引为m和n的矩阵形式编写。等式（2.1）描述了简单的压电效应。放置在具有强度 Ei的外部电场中的相同晶体变形 eta;jk。该变形是电场分量的线性函数。反压电效应由（2.2）确定：

其中： d^sigma;ijk是在机械应力 sigma;jk的固定值下测量的晶体的压电模量（因子）。

当简单压电现象中的偏振分量Pi 的变化方向垂直于外部机械应力的作用时，观察到的现象被称为横向压电效应。然而，如果偏振分量Pi 的变化方向平行于应力方向，则这种现象被称为纵向压电效应。

典型的压电发电机是压电材料的板（或板堆），相对的表面在其上形成导电板电极。得到的电路具有类似于电容器的结构，电介质是压电材料。

图2.2 压电多指式发电机

结果是机械紧凑的结构，适应预期的振动频率范围。

静电发生器的基本原理是发电机的部分在电场中的运动。这种系统是常见的无源

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