物联网数据终端能量获取方式的比较与研究
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(1.武警装备研究所， 北京100012； 2.武警工程学院， 陕西 西安710086)
摘要：为了实现物联网数据终端的能量自给，解决能量供给问题，文章针对物联网数据终端所处的不同环境，对不同能量采集技术进行了分析比较，提出了选择性价比比较高的能量获取方式和具体原则，为物联网数据终端的电源选择提供了可靠依据。
关键词：物联网； 数据终端； 能量获取； 电源选择
中图分类号：TP212文献标识码：A
文章编号：20951302(2011)04007504
Comparative Research on the Way of Energy Harvesting of the Internet of Things′ Data Terminal
YU Jinhuo1, TIAN Xizhu2
(1.The research department of CAPF, Beijing 100012, China; 2.The engineering college of CAPF, Xi’an 710086, China)
Abstract： In order to make the internet of Things′ data terminal selfpowered to solve the problem of energy supply, the author analyzes and compares different ways of energy harvesting of the Internet of Things′ data terminal in different environments, and proposes the general principles of how to select highly costeffective plans of energy harvesting and energy management, providing a reliable basis for the power selecting of the Internet of Things′ data terminal.
Keywords： the Internet of Things, data terminal, energy harvesting, power selecting
收稿日期：20110428
0引言
物联网(Internet of Things)［1］是为实现某种目的，把各种安装了传感装置(包括传感器、RFID装置等)的设备、货物和基础设施与通信网络连接起来，使这些物体能够相互进行通信和共同工作，同时能被远程感知和控制，从而实现人与人、人与物以及物与物的互联、相融与互动的网络系统。物联网系统可以广泛应用在军事、交通、电力、环保、市政、物流、家居等领域，以提高资源利用率和生产力水平，通过更加精细和动态的方式管理生产和生活。物联网数据终端［2］是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现数据采集及向网络层发送数据的设备。它担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。能量获取技术［3］是物联网的关键技术之一，在无可用电源和电源能量有限的情况下，如何获得足够的电能以及如何有效利用有限的电能，已成为物联网数据终端能否正常工作的关键。因此，怎样和如何获取有效能量，也是物联网数据终端在技术上急需解决的问题。通过能量采集技术［4］可以采集环境中的能量(如：振动能、太阳能、热能、射频能等)并将其转化为电能，以供物联网数据终端工作使用，从而实现物联网数据终端的能量自给，解决其能量再生问题。本文针对物联网数据终端的能量问题，对不同能量采集技术在能量来源、适用范围、成本等方面进行了分析比较，提出了选择性价比比较高的能量采集方案的具体原则，以实现物联网数据终端的能量自给，达到降低系统成本的目的。
1能量的采集和使用
图1所示为物联网终端传感器节点的能量采集与使用原理框图。物联网终端传感器节点从其所处的周围环境中收集可利用的能源，并将其转换为电能传输到能量存储与管理模块，当节点工作时，能量存储与管理模块中的电能经传输到达节点上的各个元器件处(例如模数转换器、处理器、存储器、射频收发器等［5］)，供其工作使用，以满足物联网数据终端对电源的需求，实现物联网数据终端的能量自给。[LM]
图1物联网终端传感器节点的能量采集与使用框图
由图1可知，物联网终端传感器节点可以收集环境中的各种能源，且不同能源有不同的采集方式。因此，当物联网终端传感器节点处于某一环境时，是否能够得到足够的电能，直接取决于能量采集方式和电能的转化效率，所以需要根据其环境中的能源特点，来选择最有效的能量采集方式。下面对多种能量采集技术的性能特点进行分析比较，以便在某一特定环境下选定能量采集方式，并将其高效地转化为电能，从而保证物联网传感器节点正常的工作，延长物联网数据终端的生命周期。
2能量采集技术性能分析
物联网数据终端所处的环境不同，环境中的可用能源就不同，且同一能量采集方式在不同环境中的电能转化率也有差异。所以，如何选择有效的能量采集方式是传感器节点电源选择的关键。针对这一问题，并结合环境中能量的特点，可对各能量采集技术的性能进行分析，以便为物联网数据终端选择电能转化率比较高的能量采集方式，保证其持续地工作，延长其寿命。
[BT3]2.1振动能量采集
振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中，而这些场合往往又是物联网终端传感器节点应用的重点领域［5］。振动能量采集就是传感器节点采集机械、车辆、楼宇以及桥梁等其它建筑架构产生的振动能，并将其转换为电能，用于自身工作的一种能量采集技术。
具有振动能采集功能的小型传感器节点可安装到车门、电动马达基座等狭小空间中，还可安装到大型机械、建筑物或桥梁等场合中。传感器节点在这里无需电池、电源线路或通信布线即可持续工作，而且能够在不需要维护的情况下无限期的工作。
目前，振动能采集方式有压电式、电磁式和静电式，其中压电式发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化，而且压电式振动能采集设备具有体积小、绿色无污染等优点，因此，压电式能量采集已成为最常用的振动能量采集方式［6］。影响压电式振动能采集输出电压和能量的因素是压电材料和振动频率。压电材料尺寸越小，压电效率越高，当它们的厚度介于20~23 nm之间时，其压电效率可提高100%，但其成本会很高；电量输出和振动频率增加成线性关系，同振动力的增加成指数关系，因此，当振动微弱或振动频率不稳定时，就可能无法为物联网数据终端提供足够的电源。
[BT3]2.2太阳能采集
太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”，既节能又环保的新能源，无论是陆地、海洋、高山或岛屿，处处皆有，无地域的限制，且无需开采和运输，可直接开发利用［7］。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能，将转化后的电能用于物联网数据终端工作的一种能量采集技术。此技术可以解决不可再生资源的枯竭，能源的紧缺，环境污染等问题。
太阳能采集可用于工业、交通、农业以及商业等多领域，尤其在光照充足的偏远地区和危险环境区，开发人员可以构建基于太阳能的自供电物联网数据终端，从而无需定期花费时间与金钱进行可插电源维护和电池更换［8］。最常见的太阳能采集器件就是太阳能电池，当光线照射太阳能电池表面时，太阳能电池的硅材料可吸收光子的能量，使电子发生跃迁，成为自由电子，从而在P-N结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，就会有电流流过外部电路并产生一定的输出功率。太阳能电池［9］分为多晶体硅太阳能电池和非晶体硅太阳能电池，多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为11%～16%，非晶硅电池的效率只有多晶硅的一半(8%)，但非晶硅的应用仍很普遍，因为它的成本要比多晶硅的低一个数量级，因而适合于大批量消费、低功耗电子器件。物联网数据终端的传感器节点一般都属于低功耗器件，且电压受限，目前使用的是非晶硅电池，这样不但可实现物联网数据终端的能量自给，而且还可节约系统成本。
虽然太阳能来源广泛，但是太阳能具有分散性和不稳定性。当物联网数据终端传感器节点处于太阳能密度很低或阴影区时，太阳能采集技术的电能转化率很低。要想保证有足够的电能，就必须增加太阳能采集器的存储能力和光照面积，以便将低密度的光能高效地转化为电能，为物联网数据终端提供充足的电能。然而，存储能力、光照面积和转化率的提高又会大大增加系统成本，故在使用时要慎重考虑。
[BT3]2.3热能采集
热能来源广泛，包括物体发出的热量、机械工作散发的热量和空气中的热量等等。热能采集和利用就是将环境的温差转化为电势，从而将热源中的废热转化为电能，直接为物联网数据终端提供能量。
热能采集可用于各种无可插电源的低功耗的物联网数据终端、低功耗传感器节点、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器［10］。根据热源的稳定性情况，热能采集在作为电源的实际应用中，可以选择以下两种方式中的一种：若热源足够大且稳定，则直接使用；否则可作为电池或其他能量存储器件充电的方式使用。
如果热能要被视为一种稳定的电源，就必须考虑热源的稳定性。没有稳定的热源就无法进行持续的热能采集，也就无法为物联网数据终端提供充足的电能。影响热能采集的因素还有导热性和热阻率。热能采集器用于能量的转换必然存在热流量，该热流量必须通过热能采集器流入与流出，所以热能采集器必须具备良好的导热性；又因为热能采集器具有较高的热阻，其器件外的热流量会影响附近区域系统的热力学特性，因此，系统还必须具备良好的散热性。
[BT3]2.4射频能量采集
射频能在人们的生活空间是无处不在，电视信号、无线电广播网和手机天线塔等发出的高频电磁波都载有射频能量［11］。射频能量采集就是通过天线接收周围环境中的射频能，并将其转换为电信号，再经调制变为直流电，以供物联网数据终端工作使用的一种能量采集技术。
射频能量采集器可部署在WiFi路由网络中或具有多发射机广域覆盖的移动基站，可根据应用需求对物联网数据终端进行充电或为其提供持续的电能；还可以用于无线传感器网络［11］中HVAC的供电和能源管理，也可布置在健康监测，或其他物联网终端设备中。
射频能与振动能、太阳能和热能不同，它不受振动强弱、光照和温度的影响。当建筑物内部经常只有低光照甚至无光照条件，不能使用太阳能采集时；或当传感器被布置于墙壁内或天花板上时，室内不可能提供合适的温度梯度甚至微弱的振动时，射频能采集却可将周围环境中的射频能转化为电能，从而为物联网数据终端供电。但是，由于射频能的空间密度非常低，且随离能量源距离的增加，射频能不断减少，因此，带有能量采集功能的物联网数据终端必须布置在靠近基站的位置。此外，实现远距离射频能的采集，势必要以系统的高额成本来换取高能量采集效率和转化率。
3能量采集方式的选择
在实际应用中，物联网数据终端通常工作在不同环境中，故可根据目标环境为其选择合适的、低成本的、高电能转化率的能源供给方式。根据上述能量采集方式的性能分析，其能量采集方式的具体原则如下：
(1) 以能量密度为依据。如处于地质活动频繁或大型机械、桥梁等振动资源丰富的地方，可采用振动采集方式；当在沙漠这种光照比较充足，光能密度比较大的环境中时，可采用太阳能采集方式；在环境中有稳定热源时，可采用热能采集方式；在无线电信号密集区或离无线基站比较近的区域，可采用射频能量采集方式。
(2) 以功率选择。物联网数据终端的工作环境不同，其功率要求也不同，若几种能量采集方式都可用时，要根据传感器节点的功率范围要求来选择适合的能量采集方式。不同能量采集方式的输出功率范围如表1［12］所列。
表1不同能量采集的输出功率范围
能量来源范围典型功率范围
太阳能(室内/外)照明、室内日光10 μW~40 mW/cm2
振动能步行、马达、桥梁4 μW~100 mW/cm2
热能体温、汽车废热25 μW~100 mW/cm2
射频能广播、WLAN电波10-6W/cm2
(3) 低成本考虑。当环境中存在多种能源时，还要考虑使用哪种能量采集方式可以保证持续为物联网数据终端供电，且电能转换率最高，系统成本最低。如在微光照条件下且离基站比较近的地方时，光密度比较低，要采用太阳能采集得到足够的电能就要增加光照面积并提高电能转化率，但此时射频能量密度又比较大，故可采用射频能采集来为传感器网络提供足够的电能，而且电能转化效率比较高，成本比较低。所以，与太阳能采集相比，射频能采集方式的成本最低。
4结语
结合物联网数据终端的工作环境，通过对各种能量采集技术性能的分析，本文提出了物联网数据终端能量获取方式的选择原则，从而为高性价比电源方案的选择提供了可靠依据，以达到用最低成本、最高电能转化率的能量采集方式来为物联网数据终端长期供电的目的，同时也解决了无可插电源和电池储电有限时的能量获取问题。
参考文献
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［2］物联网终端管理\[EB/OL\]..
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