采用能量收集技术解决无线传感器网络设计

无线传感器网络如果要实现其在现场的目标，则需要特别注意电源管理。将能量收集技术集成到您的设计中可以大大有助于解决问题。

功率吝啬的传感器，微控制器和RF收发器的可访问性和性能的提高正在提高无线传感器网络的潜力，这些网络由能量收集技术独家供电或补充。超低功耗无线协议开始获得广泛的行业认可，标准正在积极开发中。传感器网络不受电源或电池电源的影响，可以提高可靠性，降低维护成本，提高安全性和广泛部署。

仅在几年前无法想象的应用现在可以通过能量收集技术实现。新推出的电源管理产品可将各种能量收集传感器（热电发电机，光伏，压电，电磁）的不便，间歇且通常微不足道的输出转换为现代电子设备的可用电源。使用这些电源管理器件进行指定，分析和设计的新方法对于充分利用各自能量传感器元件和最终由它们供电的传感器网络电子器件的能力是必要的。

无线传感器并不是新的，通过使用能量收集技术半自动或完全自主，需要正确选择和设计能量传感器和电源管理设备。典型的无线远程传感器节点如图1所示。到目前为止，该系统中缺失的链路一直是电源管理解决方案。可用于提供功率的换能器通常非常不方便 - 产生非常低的电压，低阻抗输出或非常高的电压，高阻抗输出。该系统中的各种元件可以进一步细分为电力生产商/监管机构（换能器和电力管理）和电力用户（其他所有）。如果能量收集平均输出功率能力超过远程传感器电子设备所需的平均功率，则可以使用自治系统。

图1：典型的无线传感器系统。 br》在开始任何设计之前，进行快速可行性分析是值得的。这将很快确定能量收集技术是否切实可行。第一步是确定需要进行和传输测量的频率。我们称之为测量频率（F）。接下来，我们可以确定传感器需要多少处理能力，信号调理，数据转换和生成所需数据的处理，以及传输此数据所需的RF收发器功率和时间。

表1显示了典型值流行的微控制器和RF链路系统的功率要求。电源要求因制造商和特定应用而异。有许多选择可以根据最终应用程序进行优化。由此，我们可以计算出系统占空比和平均功率。系统的占空比（D）定义为：（测量时间（Tm）+处理时间（Tp）+发送时间（Tt））×测量频率（F）。平均功率（Pa）只是总功率（P）x D +待机功率，通常小到可以忽略。

处理电流/睡眠电流处理器功率3 mA/500 nA RF链路20-30 mA，持续1-10 ms

表1：微控制器和RF链路的典型功率要求

能量收集源典型功率范围K Solar（室内）/户外）单电池10μW-40 mW/cm2 0.6-0.8振动（压电）4μW-100μW/cm2 0.8-0.9热（TEG）25μW-10 mW/cm2 0.3-0.5

表2：典型能源及其功率能力

例如，我们假设我们的任务是设计一个自动室内温度传感器。该传感器将部署在整个大型办公楼中，并与接近传感器配合使用，可以检测房间何时被占用并相应地调节温度。在大型建筑物内部署这种类型的传感器可以显着降低年度供暖和制冷成本。传感器在3.3 V下需要500μA，持续2 ms，以测量温度并检测乘员。低功耗微控制器需要再对该数据进行5 ms的操作。处理数据时，微控制器在3.3 V时消耗3 mA电流。最后，RF链路需要30 mA，3.3 V，30 ms才能传输数据。所需的测量频率为0.2 Hz（每五秒一次测量）。

Pa或平均功率，是告诉我们什么类型的能量采集传感器的关键术语，如果有的话，将适合这个系统。表2列出了一些典型的能量传感器及其能够提供的典型平均功率。标记为（K）的列是功率转换常数，其考虑了将换能器能量转换为可用电压所需的功率管理块的类型（在这种情况下为3.3V）。完美的功率转换器具有K = 1。 K将随所用换能器的类型而变化。一般而言，K与换能器的输出电压成比例。由于非常低的输出电压传感器（如TEG）需要极高的升压比和相应的高输入电流，因此K往往低于非常高的输出电压传感器，如压电元件。在前面的例子中，我们可以看到所需的平均功率（Pa）接近合理尺寸的压电传感器的上限范围，但是在TEG和光伏（PV）传感器或太阳能电池的能力范围内。系统环境通常会决定选择何种类型的传感器。在我们的示例中，我们不能依赖于始终可用的光源，因此PV传感器不实用。我们处于压电传感器可行的最高端，因此我们决定使用TEG。当暴露于温差时，TEG利用塞贝克效应在其输出端子上产生电压（见图2）。

图2：典型的TEG。

图3：测量和发送周期期间的典型电流脉冲。

图4：测量和发送周期期间的VOUT纹波。为了进一步举例，我们假设a选择50mm 2 TEG。 TEG的一侧将安装在天花板上的HVAC管道中，另一侧暴露在室温空气中。由于TEG具有非常低的热阻，因此在它们之间形成合适的ΔT通常具有挑战性，因此室温侧将采用散热器。我们的测量表明，暖通空调管道表面在冬季（加热）平均为38°C，夏季平均为12°C（冷却），平均室温环境温度为25°C。通过仔细测量，我们确定当安装到带有散热器的管道时，TEG上的ΔT为〜+/- 10°C。从制造商的数据手册中我们可以看出，10°C dT的TEG VOUT为180 mV。 TEG输出电阻（ROUT）为2.5Ω。当TEG ROUT =功率转换器（或负载）RIN时，负载可用的最大功率发生。

如果我们假设我们的电源管理电路的RIN接近2.5Ω，那么功率转换器输入可用的最大功率是180mV 2 /（2.5ωx4）= 3.24mW。我们的功率转换器常数（K）为0.4，因此3.3 V输出的远程传感器可用的总功率为3.24 mW x 0.4 = 1.3 mW。由于1.3 mW比先前计算的818μW的Pa高，我们可以产生足够的功率来运行。

将TEG的极低输出电压转换为所需的3.3 V的电源管理电路是下一个挑战。更复杂的是输入电压（TEG输出）可以是正或负180mV，这取决于管道表面是热还是冷。尽管可以开发分立电路来应对这一挑战，但通常很难获得满足系统要求的可制造性，小尺寸和可靠性的解决方案。此外，电路设计对杂散电容非常敏感，整个电路需要微功率才能达到额定K系数。幸运的是，目前存在集成解决方案。使用LTC3109的示例电路如图5所示.LTC3109可以在低至+/- 30 mV的输入下工作，并将产生四种预编程输出电压（VOUT）中的任何一种：（2.35，3.3，4.1或5 V） ）。提供可切换的VOUT，仅在必要时为传感器供电。 LTC3109还包括一个电源管理器，可用于存储和利用过剩的能量。由于我们的典型负载功率小于可用能量，因此可以存储任何多余的能量以供以后在CSTORE上使用。

图5：LTC3109电源管理电路。图3和图4显示了测量/发送周期之前，期间和之后LTC3109的3.3 V输出。 VOUT上的电容基于一个测量/发送周期的可接受电压下降来确定大小。在我们的例子中，我们已经确定3.3 V输出可以接受300 mV的电压下降。使用先前获得的值，我们可以计算所需的COUT：

其中：Iload = 3.3 V输出上所有负载的总和Iavg = LTC3109的平均输出电流dT =负载脉冲的持续时间dV =可接受的电压下垂

图4中的实际下降远小于300 mV 。这是因为测量的简单系统的电流发射脉冲持续时间较短，输出电容较高。图6显示了能量采集传感器输入暂时中断期间的3.3 V输出。在这种情况下，LTC3109采用存储电容CSTORE工作。对CSTORE的值没有限制，因此可以根据需要的系统保持时间调整大小。

图6：输入源中断期间的操作。

上面概述的基本设计过程适用于其他类型的能量收集传感器。与压电元件（高压AC），电磁（线圈/磁铁）和光伏（太阳能电池）连接的电源管理电路现在都很容易获得。在所有情况下，有必要首先确定自主操作是否可行所需的平均负载功率。