配给能源采集供电:无线传感器节点的功率约束

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让周遭的系统能够自动感测环境变化并做出反应，势必将对于人类的生活造成重大改变。无线传感器网络是多个分布式传感器实作(节点)组成的系统，能够共同透过相互无线通信的方式响应实体变化。本文将重点介绍节点的最新进展，并推广对于系统层级设计方法的需求。

图1显示一个示范网络及各个节点的子系统。配置难易度及安装成本的考虑，需要各节点问能够进行无线通信。为了降低通信开支并改善响应时间，各节点都必须白行处理传感器数据并控制促动器。大量节点的例行维护(例如更换电池)所需的费用可能相当高。仅使用储存／采集的能源传感器节点，一般可维持数年的时间。

传感器、射频及微控制器的选择取决于应用的性质。本文的重点在于办公室环境中的传感器网络，这类网络适用于能源管理、保全或资源规划等应用。能源来源及储存

在室内环境下，光能一般是最充裕的环境能源。现今的太阳能电池(采用非晶硅)在200lux荧光灯源照射下，可产生约5uw／cm。表1列出的估计能源获取率(energy-accrualrate)显示一颗10cm2的太阳能电池可以产生70uW-120。

微型热电发电机以温度梯度(产生电能，但要达到15uw／cm3的能源密度，热能采集器可能需要约10℃的温度梯度℃，许多应用环境并没有大幅度的温度摆幅，室内环境尤其如此，因此热能采集器的适用范围相当有限。

现今的振动能源采集器需要约1.75g～2g的加速度才能产生60uw能源，如此的加速度一般在室内环境并不存在。

由于传感器节点电路可储存能源的容量有限，获取环境能源的机会也有限，因此必须节省使用能源。以一个100mAhr电池为例，太阳能电池能够产生70uw，时间为10年节点寿命的50％。这个节点必须运作各个子系统，平均功耗不超过39uw。

节点子系统

微控制器、射频、传感器与促动器存在差异极大的功率与效能特性，要满足系统的电源需求，必须使传感器节点有效管理子系统。图1显示实作节点所用的子系统。

在约1MHz频率速度下，现今低功耗MCU的峰值功耗约为345uW。由于传感器处理的需求一般不大，因此可以使用负载周期较小的MCU(例如小于1％)，以减少平均功耗。

传感器节点通常以较低的速率传送关于物理现象的讯息，以及相关的控制讯息。表2摘要列出一些关键低功耗无线通信技术的主要特性。

表2所列的功耗量值只是系统设计的一般准则，随着收发器设计的演进，所耗用的功耗更低。选择收发器架构时，必须考虑设计的所有层面。无线局域网络(LAN)收发器的单位位功耗比Zigbee收发器小，但LAN收发器的数据速率较高，峰值功耗也较高(相关探讨请参阅)。

可用于室内应用的传感器包括温度计、湿度传感器、麦克风及被动红外线传感器。现今的温度与湿度传感器与麦克风的峰值功耗约为70uw～80uW。被动红外线传感器用于侦测人体的活动，一般峰值功耗为100u5至500uW。温度与湿度传感器监控缓慢变化的现象，因此能够以低负载周期运作，但是其他用于侦测动作的传感器就不可断电，否则将影响侦测效能。在许多应用中，传感器需要的能源均高于数据处理或无线通信的能源，要满足系统功耗需求，需要创新的传感器管理。

结论

在实作无线传感器网络的过程中，虽然运算、通信与侦测等方面有长足的进步，但是缺乏适当的电源及能源，一直是难以克服的挑战。能源采集与储存方面的技术发展不断地减轻对功率的约束，但最终应用的需求还是继续受限于这些约束。要弥补如此的功率差距，需要系统层级的设计方案，才能在节能与效能两方面，找出最佳的平衡点，确保最基本的服务质量。未来的无线传感器节点，将自动适应随时问变化的应用需求和可用能源。