无线传感器节点能源管理

无线传感器节点的能源管理概念

摘要

无线传感器节点和无线传感器网络的能量管理不同于仅关注存储管理的传统方法。它取决于应用、能量输入、能量收集技术及电源。为了高效管理能量，采用最大功率点跟踪、电压和电流转换、能量输入预测与建模、功耗特性调优或功率流控制等技术。实现这些功能需要对功耗和能量输入分别进行建模。功耗特性可基于电流、电压、功率和能量测量或模型生成的预测。能量输入则通过温度、振动特性、辐照度或风速进行建模。由于这两种特性不匹配，因此使用能量缓冲器和能源管理逻辑来协调二者。

模拟、离散和开关控制架构用于执行能量管理任务。本章概述了无线传感器节点不同领域所采用的技术及可能的复杂性级别，展示了这些领域的相互作用以及集成到节点级或网络级整体能量管理中的方式。利用这些技术，使得从环境能源中进行能量收集成为可行，支持并推动了工业领域、环境监测领域、“物联网”或智能尘埃网络中的最新发展。

关键词 ：能量管理, 能量节约, 调度, 能量优化, 最大能量提取, 最大效率跟踪, 能量收集, 无线传感器网络, 传感器节点, 智能传感器, 嵌入式系统, 智能尘埃, 物联网, 智慧城市

1 引言

能量收集使设备能够利用其环境中的能量。太阳能电池、珀尔帖元件或悬臂梁等换能器从光、温度梯度或振动能源中采集能量。该领域的积极发展显著推动了技术进步。能量采集器的效率不断提高，尺寸和成本也持续降低。能量收集适用于比以往更多样化的应用领域，广泛应用于“物联网”（IoT）[1–6],环境监测[7–9],工业[10]以及其他众多领域。

能量收集应用于从简单的主动式远程电感式传感器[11–13]，到无线传感器节点，直至复杂的无线传感器网络[14] 和智能尘埃[15–17]。

由能量收集供电的系统可以在一定时间内无需人为干预运行。如果这一时间足够长，其运行便可实现“免维护”。此类系统可部署在难以接近、危险、移动或恶劣的区域。无线传感器执行器网络（通常称为“无线传感器网络”（WSN））在实现免维护后可轻松扩展规模。免维护系统广泛应用于无电源供应或无法使用有线通信的领域，如物联网[1–5],环境监测、工业领域以及其他众多应用领域。福布斯汇总了麦肯锡、通用电气、IHS、高德纳等机构在物联网[18]领域的预测数据，预计到2050年，设备数量将从数百亿台到一万亿台不等。

这些领域的传统方法使用电池或纽扣电池，需要定期更换或充电。这些电池限制了设备的使用寿命，且其发展速度无法跟上微电子的发展。未来的方法，如在难以接近的区域部署无线传感器，或物联网和智能尘埃网络需要大量设备，催生了对替代解决方案的需求。能量收集可以作为一种解决方案，延长电池供电系统的寿命，甚至完全替代电池作为能源。

这两种方法都需要能量管理来平衡来自不同电源的能量输入，管理不匹配的能量产生与功耗特性，转换来自收集器的电压和电流等。

良好的能量管理可以弥补因缺乏此类策略而产生的储能装置、电池或维护成本。

能量收集节点的框图。能量管理系统通过提供整流、阻抗匹配和最大功率点跟踪 (MPPT)，以优化方式从能量采集源中提取能量。如果连接了多个收集器，管理系统还会协调能量的组合。内部能量分配系统将能量路由至储能缓冲器、长期能量存储或应用端，通常通过使用开关型DC/DC转换器实现不同电压水平之间的转换。能量管理系统的控制单元监测能量可用性、功耗、充电水平和电压，以控制能量分配。

这些电源管理策略范围广泛，从简单的分立式配置（特别是用于从断电中恢复）到复杂的基于微控制器的方法，具体策略随应用需求、节点设计、可用能量和功耗特性而显著变化。

2 从环境电源获取能量

能量转换器用于将环境中的能量转化为电能。 提出了不同的能源分类方式。能量可以根据其产生的来源进行分类，可以是自然来源，如太阳能，也可以是衍生来源，如风能、热能或水流。第二类是副产物来源，包括机械振动、耗散热、流体流动、移动磁铁或压力变化，例如由人体运动引起的变化。第三种能量来源是主动传输，即通过泵浦能量来驱动能量采集器。例如光/激光能量泵浦[19],（如用于驱动无需电缆的高精度电场探测器）、声能、无线电波[20]或磁能泵浦，例如通过振荡线圈[21, 22]实现。

一种来源可以产生不同形式的能量，而同一种形式的能量也可以由不同的来源产生。这种分类的类别如图2第二行所示。

根据可用能量、频率、能量形式和应用，可适用一种或多种转换技术。此类别的分类如图2的第三行所示。

每种转换技术都使用了图2第4行中分类的一种物理转换原理。所有这些分类对于能量管理的设计都至关重要：
– 需要能量来源以确定能量可用性；
– 根据能量形式选择适当的转换技术；
– 依据转换技术确定所采用的转换原理；
– 根据转换原理选择合适的能量提取方法 （图1）。

关于应用、环境和计划中传感器节点尺寸的要求，限制了每个类别中可能的元件。能量管理设计中的一个任务是选择合适的多种能量采集器组合及其尺寸。每种采集输入最终可按每一行的一个类别进行分类。

3 无线功率传输

使用无线电力传输是为了：
– 传输比环境可提供的更大的功率；
– 通过一种特殊形式的能量传输功率，以避免对测量造成影响；
– 将功率传输到危险、隔离或难以接近的区域；
– 实现通过调制发送器信号进行通信的传感器节点。

传输高功率是无线电力传输中最成熟的应用领域。电感式充电已广泛应用于电动牙刷、手机、电磁炉等移动设备。这些设备通常采用感应能量传输原理，仅在发射线圈附近有效。这对远距离节点供电而言是一个缺点，但有利于减少对其他系统的影响。该技术可传输的能量非常高。智能能源管理系统能够对设备进行脉冲感知，仅在识别到正确设备时才开启全功率，从而在发送端节省大量能量，并减少对人类健康、不兼容的电子设备以及环境的负面影响。

无线电力传输还可用于使传感器系统与环境实现电学隔离。该技术长期以来一直被应用于通信系统中，以实现信号的电学隔离，例如避免在高保真或专业音响系统中产生接地环路。最新的研究则利用相同的技术为远程系统供电。瓦尔内克[19]制造了由激光束供电的智能尘埃。该系统通过微型板载太阳能电池收集能量，并同样利用激光光进行通信。像[23] 这样的专利表明，此类技术可用于消除观测频率范围内的电磁效应，同时也能消除导电导线引起的场影响效应。

节点可以利用其供电信号并将信息调制到其中。该技术已在射频识别（RFID）技术[24]中使用了多年。也可将此技术用于射频传感[13, 25] 或使用线圈的感应传感[26]。简单电路包含一个线圈、一个电容或电阻传感器以及一个调谐电容。当该装置由泵浦线圈供电时，接收振荡电路会向发射线圈提供频率相关反馈。通过分析振荡失谐，系统可计算出无线节点传感器的值。杨等人在[11]中展示了此类系统。

类似配置可通过微镜或光纤电缆对光进行调制来实现。如各种出版物和专利中所述，可测量压力、应变、声音、结构传声或振动：[12, 27–30]。该测量原理具有鲁棒性，不易受断电影响，相对易于实现，并已被长期使用。此类系统的复杂性主要来自针对应用的专门设计及相关信号处理。

像凯洛格[31]描述的被动WiFi等新方法，专注于从射频(RF)信号中获取能量并对信号进行调制。该技术也不需要测量设备提供任何发送功率。通信基于对电磁波的衰减或反射。

4 能量存储

即使某些由无线电力传输供电或利用无需能量存储元件的被动感知能力的节点类型 [12, 27–30],，如今大多数传感器节点仍包含一个或多个储能装置。本节讨论的储能装置不包括子系统中包含的储能元件，例如直流/直流转换器中电感器周围磁场中存储能量的电感器。此处讨论的储能元件位于某个功能模块之前或之后，或构成独立的功能模块。 该储能元件用于缓冲非连续能量输入，或暂时应对负载能量需求的变化。此类缓冲存储器的范围从小型电容器到可充电电池不等。当能量收集系统需要在被收集的能源长时间不可用或仅有限可用时继续运行，则需要更大的存储容量。这种情况可能发生在夜间，或自然能源来源的半年周期内。一些过程衍生的能源，例如在[32],中讨论的基于水龙头的传感器节点，也需要面对较长的停机时间。该系统的目的是检测用户并在检测到用户时打开水阀。该传感器节点需要定期扫描用户，但此时热电发电机（ TEG）无法供电，因为TEG依赖于水流的温差。在这种情况下，经过适当设计的能量存储元件至关重要。目前主要使用的存储原理为电学或化学方式。由于转换效率低、损耗大（如飞轮的摩擦损耗）以及节点尺寸限制，热或机械存储原理（如飞轮）通常不会被采用。

5 负载

负载是所有需要供电的系统。能量管理所需的负载和应用所需的负载都属于负载。

用于能量管理的负载是不希望存在的，会降低从能量采集器到应用负载的转换效率。然而，这些负载对于实现高质量的能量管理是必要的，而高质量的能量管理反过来可以提高整体系统效率。一些负载，包括能量管理负载和应用负载，需要受控且稳定的电压或电流。稳定化通常通过引入电容器或电感来实现。调节电压和电流则通过直流/直流转換器来产生。

应用所需的典型负载包括：
– 传感器
– 用户界面
– 微控制器
– 射频通信组件

传感器可以直接由能源驱动，如第3节无线电力传输中所述。基于离散逻辑的负载实现很少被使用，因为它们灵活性低且开发工作量大。如今大多数传感器节点都采用微控制器来控制测量并执行通信。这种方法的优点在于非常灵活、功耗低，并能在极短时间内处理复杂的处理或控制任务。此类节点的设计过程相对简单，因为无需设计和调整复杂的离散或模拟电路。通过射频通信，它们可以与周围环境通信，传输测量数据，控制子系统，并自行进行数据累积或信号处理。此外，它们还可以根据测量值自主做出控制或传输决策。低功耗微控制器中的睡眠模式使其在不需要时消耗更少的能量。微控制器甚至可以参与能量管理，并实现复杂的管理策略。微控制器和射频收发器对供电电压有特殊要求。供电电压必须处于一定范围内，且不得超过最大纹波电压，尤其是在使用集成模数转换器（ADC）或数模转换器（ DAC）时。通过模数转换器获取的电压信息对于基于微控制器的能量管理至关重要。

一旦电压无法稳定，或系统无法提供最低工作电压，系统可能因能量管理失效而进入“死态”。若无特殊防护措施，系统将无法从此“死态”中恢复。下一节关于电源管理策略的内容将讨论这些问题及其他相关问题，并展示避免此类死态的可能方法。

6 能量管理方法

6.1 主动式与被动式能量管理

在能量管理领域，区分了主动式和被动式方法。所谓“被动式”，是指能量管理系统仅依靠能量采集器提供的功率运行，而无需额外的能源。例如，格拉茨桥式整流器仅使用无源元件将交流转直流电流。与主动式系统相比，被动式系统通常效率较低，因为其阈值由物理特性（如格拉茨桥中二极管的正向阈值电压）决定，属于静态阈值。非线性特性通常会降低效率，但有时也会被主动利用，例如使用齐纳二极管产生准稳压电压，从而为能量管理提供切换点。由于与主动式能量管理之间的界限较为模糊，因此即使采用比较器或运算放大器的方案，只要其生成所需的所有工作能量均来自采集器，也可能被归类为被动式能源管理。

电压本身。这类系统通常包含多个具有不同效率的阶段。有关此内容的更多信息见第6.3节“多级能量管理”。

主动能量管理需要额外的功率来驱动控制级、比较器、运算放大器或参与管理的微控制器。该功率来自预充电缓冲电容或备用电池。与被动方案相比，其控制能力、对变化环境的适应性、能量可用性或需求以及灵活性都更高。

6.2 基于微控制器的能量管理

基于微控制器的能量管理是一种主动式管理的特殊形式。它在管理中包含一个或多个微控制器。此类装置具有很高的灵活性，可通过无线方式利用实时数据进行更新，能够自行进行预测并自适应地计算新的管理策略。它具备集成多种类型传感器信息并对其进行聚合的能力。尽管这种复杂的能量管理可以使用主动式电子元件实现，但通常更倾向于采用微控制器，因为微控制器具有灵活性高、成本较低、易于集成，并且通常已内置模数转换器、比较器、内部电压参考、通信解决方案以及强大的计算能力，可用于跟踪和控制能量流。

由于属于主动式管理范畴，基于微控制器的解决方案也需要初始功率才能运行。微控制器需要在特定电压范围内提供特殊的供电功率，通常为1.8至3.6伏特。像 MSP430L092[33]这样的特殊微控制器可以在低至0.9V的电压下工作。当使用内部模数转换器和比较器时，需要无纹波的电压供应。

6.3 多级能量管理

如前几节所述， 展示了被动式、主动式和基于微控制器的管理方案的分类。被动方案功耗最低，但灵活性也最低。主动式和微控制器方案的效率要高得多，但其功率需求更高，并且对供电电压可能有特殊要求。

对于所有主动式解决方案，能量缓冲器的耗尽会导致传感器节点失效。这种情况可能在采集的能量电源发生意外能量中断、备用电池耗尽或能量管理不够灵活时出现。备用电池的更换周期或对失效的传感器节点进行再充电或更换都会导致维护工作量增加。仅使用被动式能源管理只能提供低效率。结合这两种方法并在这两者之间切换，可实现多级能量管理。这将主动式和被动式的优点结合起来。

一种没有上述缺点的方法。另一方面，该设计相当复杂，各阶段之间的前进和后退还需要额外设计。[34]中讨论了一种用于从电磁能量收集器获取功率的被动整流与有源元件相结合的智能混合方法。

另一种方法是使用混合 harvesting，其中一个能量采集器专门用于为能量管理供电，另一个则用于高效提取大部分能量，如罗汉在[35]中所述。

7 提取功率管理策略

传统电源管理方法仅关注储能装置，而由采集能量驱动的传感器节点的方法则可以使用以下各节中讨论的附加组件。

7.1 最大功率点

每种电源都有其特有的电流‐电压输出特性，这可以在电流‐电压图中可视化，如 电流随电压变化的输出特性。)所示的太阳能电池。在y轴上的交点表示当太阳能电池的两个输出端子短路时观察到的短路电流。与x轴的交点则是开路电压，即当端子未连接时所观察到的电压。

将图中的电压和电流相乘可得到输出功率，该功率可以针对每个工作点以及相应的电压绘制出来。 功率随电压变化的特性。)显示了同一太阳能电池的这种功率特性。可以看出，在短路电流和开路电压情况下的功率为零，这是因为此时要么电压为零，要么电流为零，导致无论另一个值为何，乘积均为零。该图表明，在0.925伏特处存在一个最大功率点，能够提供最大0.377毫瓦的功率。保持太阳能电池在此电压下工作可确保实现最大功率传输。

7.2 最大功率点跟踪

MPPT是一种从电源向负载提取并传输最大可能功率的技术。因此，需要将负载阻抗与源阻抗“匹配”。这通过使用源阻抗的复共轭作为负载来实现。然而，实际的负载通常不符合这一要求。中突出显示了电压为0.925伏特时的最大功率点。MPPT的功能是维持该电压，以提取最大功率。通常采用（寄生）电容与直流/直流转换器的组合，作为MPPT的电压控制元件以及能量采集器的匹配负载。采用开关型直流/直流转换器，因为它们相比传统电压稳压器具有更高的转换效率。

由于采用了开关式电压控制设计，能量采集器的输出端引入了电压/电流纹波。该纹波导致工作点在能量采集器的最大功率点附近产生偏差。这种行为在 功率随电压变化的特性。)中表现为最大功率提取所需理想电压周围的灰色区域。对于相同的开关频率，缓冲电容越大，期望电压周围的纹波越小。然而，增加的每个电容都会引入损耗，并且需要初始充电。此外，存储在该缓冲电容中的能量无法在后续阶段使用。

另一种减少与理想工作点偏差的方法是提高开关频率，但缺点是DC/DC电路的功耗会增加，因为开关元件的栅极电容需要更频繁地充放电。

输入电压变化的剧烈程度受第三个因素影响：能量采集源提供的电流。在相同电容器尺寸下，较高的电流会导致更大的电压变化。

为了控制直流/直流转换器的占空比，最大功率点跟踪需要定期测量实际电压，并根据最大功率点跟踪技术测量开路电压。测量越频繁，围绕最佳工作点的电压纹波就越小。但在每次测量与控制周期中，最大功率点跟踪控制都会消耗能量，因此过高的更新速率是不可行的。

最后，所采用的MPPT算法可能产生重大影响。由于环境条件变化会导致最大功率点发生偏移，因此需要进行跟踪。复杂的算法能够更准确地找到最大功率点，并更好地适应变化的条件和能量可用性。这在一方面提高了能量提取效率，但在另一方面也增加了执行测量、提供电压参考、进行计算和设置控制所需的额外能量消耗。

著名的最大功率点跟踪算法包括“扰动观察法”、“爬山法”、粒子群优化或基于模糊逻辑和人工智能的算法，如[36]和[37]中所述。

如果环境条件相对恒定，则无需进行跟踪。此时已不再是“跟踪”，而是在初始定义后的最大功率点控制。大多数可用的MPPT芯片采用这种技术，但产品仍被称为“最大功率点跟踪器”。对于这些产品，静态最大功率点在部署期间通过电阻器设置。

7.3 最大能量提取

在无线传感器系统的高效能量利用讨论中，提取最大功率非常常见。然而，这并不是从有限资源中传输能量的最有效方式。尽管对于随时间能量有限的电源而言，最大能量提取非常重要，但这种方式的能量提取却常常被忽视。

显示了一个电路，该电路包含一个内阻为50 Ω的电压源和一个电阻负载。为了如上一节所述提取最大功率，必须使负载与内阻抗匹配。这可以通过将电源阻抗的复共轭作为负载阻抗来实现。在讨论的示例中，匹配负载为50 Ω。

显示了负载电阻上的提取功率。可以看出，传输到负载的功率在50Ω时确实达到最大值。虚线表示内阻RI上的功率分配情况。在50Ω时，功率在内阻和负载之间平均分配。

一半传输给负载，另一半传输给内阻。虚线表示电源提供的总功率。可以看出，在短路情况下，电源提供的功率最大。负载电阻越高，电源提供的能量越少。对于能量效率而言，重要的是电源提供的功率中有多少实际传递给了负载，如图11的下部图表所示。在匹配电阻时，能量提取效率并非最高。效率随着负载电阻的增加而提高

负载电阻。在无限大负载电阻的情况下，效率将达到100%，因为无电流流动，也不消耗功率。显然，这可能也不是理想情况，但该示例说明了为何通常使用的负载电阻远高于内阻。

如[38]所述，一个典型的例子是电池使用。负载电阻通常远高于电池的内阻。在这种配置下，虽然未提取最大功率，但电池寿命更长。

能量效率对于许多能量收集装置而言至关重要，但仍未受到足够重视。提高有限资源下的能源利用率存在巨大潜力。其中一个原因是，能量收集系统通常被分割为源能量部分（例如热电发电机中的热能部分）和电学部分。在仿真、测试和配置过程中，往往未考虑热流、热惯性、可用能量与内部损耗之间的相互影响。存在多种效应与通用的能量守恒方法相矛盾（以热电发电机为例）：
– TEG中的高电流会导致所有元件产生焦耳热。
– 如果能量来源（图2）不能持续提供新能量，则一个周期内可收集的能量是有限的。
– 高提取电流会引起元件处的温差减小，从而导致TEG电压降低，并因此常常使后续能量处理阶段的提取效率降低。

7.4 混合 harvesting

混合 harvesting 是一种利用多个能量采集器为系统供电的原理。该附加的能量采集器可用于从能量耗尽状态中恢复，或在启动期间为能量管理系统供电。它可以在其他采集器无法提供能量时（例如昼夜交替期间）提供补充能量供应。当单一能源无法提供足够功率时，也需要将多个采集器同时使用作为组合能源。较为少见的是采用混合方法引入备用电源路径，以应对主采集器无法提供足够能量的情况。大多数备用采集器采用无线电力传输（见第3节）。关于合适的混合管理方法的选择取决于用例以及能源和采集器特性，如2节所述。

可以举一个关于其中一个特性的例子：两个最大功率点的匹配。 两个不同电源的最大功率点。)显示了两个不同能量采集器的功率‐电压图。对于两条曲线，最大功率点均被标出。如果要使用最大功率点跟踪，可以为每个采集器分别使用一个最大功率点跟踪装置，也可为两个采集器共用一个。分别为每个采集器配置最大功率点跟踪装置意味着每个工作点可以独立控制。当最大功率点位于不同的电压时，这种方法非常有用，例如在电感式采集器（低最大功率点电压）和压电采集器（高最大功率点电压）中通常就是这种情况。此外，当变化的环境条件导致各个最大功率点独立变化时，这种方法也很有用。 独立或共享最大功率点跟踪的工作区域。)中以灰色方框围绕每个采集器的最大功率点，表示独立的最大功率点跟踪装置的工作区域。从图中可以看出，只有当两个最大功率点跟踪装置的工作区域较小时，采用分离式的最大功率点跟踪才有意义。

否则，两个收集器的输出可以连接在一起，并由一个最大功率点跟踪电路将两者的电压调节至折衷工作点区域，如 独立或共享最大功率点跟踪的工作区域。)中围绕两个收集器最大功率点的虚线框所示。该方法的优点是电路复杂度低且引入了静态电流，但以较低的效率从收集器中提取功率如。前所述，在功率点匹配方面，影响混合能量管理设计的采集器和能源的典型参数包括：
– 电流变化：
– 仅交流电（AC）
– 仅直流电（DC）
– 部分为交流电和部分为直流电
– 波形形状
– 正弦波
– 多频正弦波
– 噪声
– 输出功率量
– 能量可用性

根据这些情况，可以形成具有共享组件的组。对于每种组合，能量提取的多个部分可以共享使用或独占使用。

展示了针对直流源的各种混合能源管理方法的通用示意图。通过打开或关闭开关，可以选择使用或绕过不同的模块。对于交流源，如果需要直流输出，则必须在采集器之后增加整流电路或类似压电采集器所用的P‐SSHI能量提取阶段。与直流源上的最大功率点跟踪（MPPT）类似，这些阶段可以由各个采集器共享，也可以分别为每个采集器单独实现。可以采用二极管来防止能量回流到采集器，但如果使用有源二极管[39]，则会引入电压降或静态电流。新型方法采用机械开关以完全避免静态电流[40, 41]。已有出版物提出了不同复杂性的混合能源管理解决方案，涵盖从光能和热能的非常简单的方法[42, 43]、通用方法[44]到综述文章[45]。

Uluşan 等人[46]声称他们创建了首个能够同时

从三个独立的电源中连续提取能量，并提供单一的直流输出。康等人提出了一种有前景的方法，用于从具有不同阻抗的多个直流能量收集器中进行能量采集[47]。

7.5 非线性能量管理

非线性能量管理用于在机械或电气上将能量转换器/能量采集器与能源进行匹配。一个典型的例子是振动能量收集器，通过将其固有频率与能源频率相匹配，使其在共振工作点运行，以实现最佳频率设计。当能源的工作点随时间波动或发生变化时，能量提取将不再处于最佳工作点。解决此问题的一种常用方法是采用非线性能量收集器，使用磁铁代替机械弹簧来产生振荡。这种方法可以拓宽共振区域，但会降低收集器的最大输出。机械调谐方法在[48–50]中进行了讨论。 具有吸引磁铁排列的悬臂梁构成双稳态系统。(b) 带夹具的悬臂梁在大振幅下缩短了梁的长度。(c) 具有排斥磁铁排列的悬臂梁构成双稳态系统。)展示了典型的配置。

在 具有吸引磁铁排列的悬臂梁构成双稳态系统。)中，使用磁铁构建双稳态收集器。这种方案在[51]中有所讨论。如 具有排斥磁铁排列的悬臂梁构成双稳态系统。)所示的排斥型配置也是可行的。此类结构可如[52–54]所述集成于微机电系统（ MEMS）中。还可以使用两个或多个磁耦合的悬臂梁，实现反相双稳态行为[55]。

带夹具的悬臂梁在大振幅下缩短了梁的长度。)展示了一种利用夹具的方法，在振幅较高时改变悬臂梁的振荡频率。该方法在[56]中进行了研究。

新的电气调谐方法[57]利用电容或磁调谐来改变压电发电机的共振频率。[58]提出通过电学侧的电偏置电压动态调节能量采集器的刚度或其他参数。这已被证明至少在压电换能器上是可行的。预计该领域的进一步研究有望将此技术也应用于其他能量换能器。

8 核心系统能量管理策略

8.1 能量存储管理

如引言4所述并如所示，能量存储元件用作输入功率与输出之间的缓冲器。它们还可用作两级之间的缓冲器，以滤除电压或电流纹波。如果前级模块输出电流，储能元件可以收集电荷，并将电压转换为适合后级模块的有用范围。

这种技术适用于在输入侧调节电压并通过直流/直流转换器输出电流的最大功率点跟踪装置。储能元件（如电容器）收集输入电流，储能元件上的电压上升，一旦维持在可用的电压范围内，能量即可供后续阶段使用。

显示，不同的模块（例如能量采集器、存储和负载）可以在不同的电压水平下运行。能源管理设计的一项任务是匹配相邻模块的电压范围。两个相邻模块的电压范围可以重叠，如果存在重叠，则它们可以在共享区域内运行。例如，微控制器负载经常被使用。如图10所示，许多微控制器负载需要1.8至3.6V之间的输入电压，但存储可以在不同的电压下运行。

如图10所示，防止负载损坏的一种简单方法是将存储的最高电压限制在3.6伏特。如果存储元件为电容器，则公式(1)给出了电容器中存储的能量Ecap，其为容量C和电压U的函数。在两个电压Ubegin和Ubegin之间可提取的能量可通过公式(2)计算。两个模块的共用电压范围为1.8至3.6伏特。微控制器负载可获取的最大能量由公式(3)给出。如果存储能量不足，可以增加容量C。最大可能的容量Cmax可能受到传感器节点及其组件的尺寸、成本或物理限制的影响。描绘了电容器的能量随电压变化的依赖关系，对应两种电容值：10法拉和 47 μ法拉。绿色阴影区域显示了电压范围1.8至3.6伏特，以及电容为 47 μ法拉时的相关能量范围。

$$
E_{cap} = \frac{1}{2} \cdot C \cdot U^2 \quad (1)
$$
$$
E_{cap,\ voltage\ difference} = \frac{1}{2} \cdot C \cdot(U^2_{end} - U^2_{begin}) \quad (2)
$$
$$
E_{cap,\ usable} = \frac{1}{2} \cdot C \cdot[(3.6V)^2 - (1.8V)^2] \quad (3)
$$
$$
E_{cap,\ bulk} = \frac{1}{2} \cdot C \cdot(1.8V)^2 \quad (4)
$$

可以看出，在较高电压下可以存储更多的能量，因为电压对存储能量具有二次方的影响。显示了电容器的能量预算。电容器存储的实际能量Ecap与其电压U通过公式(1)直接相关。能量采集器的输入功率增加以及负载消耗的输出能量减少都会导致存储能量Ecap的变化。对于能量预算，系统状态的不同类别在中列出。该表还给出了能量预算行为如第一列所述的典型场景。

负载消耗的所有功率Pout必须由能量采集器提供的功率Pin或从存储能量Ecap中获取，而存储能量受限于相邻模块的重叠电压范围，如公式(3)所述，其限制在Ecap,usable（绿色区域）。

8.2 多存储管理

仅使用电容器作为缓冲器是存储能量的最简单方式。对于长期存储，电容器无法提供足够的容量。因此，通常使用双层电容器、超级电容器或可充电电池。与电容器相比，它们的响应时间更长，但容量更高。可充电电池提供的容量最高，但与电容器和超级电容器相比，其响应时间也最长。比较了不同类型的电容器。比较了超级电容器和电池。提供了不同类型可充电电池的概述。

各种电容器以及镍镉(NiCd)和镍氢(NiMH)蓄电池均可完全放电。而其他类型的电池，如铅酸电池或锂离子(Li‐ion)电池，若深度放电则会被损坏。所有上述储能元件都对过高的电压敏感。特别是可充电电池容易发生过充，可能产生气体、燃烧或爆炸。

根据所使用的电池化学类型，需要充电和安全电路。针对常见的电池化学类型，集成的电池管理电路可作为单芯片解决方案提供。它们可以防止电池出现过充、深度放电等危险状态，并提供电流和充电控制以及温度监控。然而，它们无法防止由静态电流和自放电引起的电池深度放电。这仍然是一个上级能源管理和规划系统的任务。

不可充电的一次电池提供的容量最高，如所示。一次电池通常具有较高的内阻，但对于低功耗需求来说通常不是问题。“一次碱性电池和锂电池可储存长达10年，且容量损失极小”[62, 174]。一次电池不需要复杂的电路，并且在其他所有能量缓冲器耗尽时，可为节点提供启动电源。其缺点是即使在不需要供电的情况下，也会随时间缓慢放电，因此需要定期更换耗尽的电池，增加了维护工作量。

能量管理系统可以管理多个可充电和不可充电的储能装置。为此，系统可以简单地进行切换/多路复用，或使用能量转换器在它们之间传输能量。与 不使用直流/直流转换器。(b) 为能量存储和 retrieval 使用独立的直流/直流转换器。(c) 为存储和旁路使用独立的直流/直流转换器。(d) 使用一个直流/直流转换器完成所有操作。)中所示单个储能装置类似的多种架构是可行的。能量管理的实现方式可以从被动式到基于实时数据和预测的方法，并可通过微控制器来实现。多级实现可以降低不需要的转换阶段所带来的能耗开销，并提供从耗尽的能量存储启动系统的能力。

常见的方法结合了长期存储与短期存储的优势，以实现多级存储，并控制它们之间的使用和能量路由。因此，可以同时具备启动时间短、冷启动能力以及长期能量存储的优点。

8.3 电压监控

显示了能量存储中的能量预算。当输入功率大于输出功率时，可以存储更多能量，存储电压随之升高；相反情况下，能量和存储电压则会下降。更详细的描述见第8.1节。连接的负载只能在绿色区域中运行。在红色区域中，负载无法正常工作，但仍可能连接到能量路径并消耗功率，这种消耗并无实际用途。对于某些负载（尤其是微控制器），在其激活电压附近的功耗远高于未激活或完全激活状态下的功耗。

这一现象是由内部电压基准、开关、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的状态变化以及启动时晶振开始工作等因素引起的。大多数微控制器在完全不使用时也会产生明显的功耗。这一点可以通过计算如公式(5)所示的虚拟直流电阻来说明。如果电压被调节至U，平均虚拟电阻可通过电流对时间的平均值计算得出，如公式(6)所示；或者通过计算每个采样点的虚拟电阻，并对所有电阻值进行时间上的平均，如公式(7)所示。展示了常见低功耗微控制器在不同电压下的平均虚拟电阻。所测试的微控制器可在最低电压1.8 V下运行。该图分为左右两部分：左侧为微控制器未运行状态，右侧为其处于典型深度睡眠模式的状态。右侧测量数据已去除启动瞬态电流的影响。直流测量在微控制器上电1秒后开始。所列数值代表静态平均虚拟电阻。两部分之间由一条红色虚线分隔。虚拟电阻越低，在相同电压下的直流功率功耗越高，这可通过公式(8)计算得出，并在中展示。

$$
R_{virt} = \frac{U}{i} \quad (5)
$$
$$
R_{virt,mean1} = \frac{U}{I_{mean}} \quad (6)
$$
$$
R_{virt,mean2} = \text{mean}(R_{virt}) \quad (7)
$$
$$
P_{mean} = R_{virt,mean} \cdot U^2 \quad (8)
$$

结论是，未准备负载（尤其是未准备的微控制器）仍然会消耗能量。更糟糕的是，启动前的功耗峰值甚至高于睡眠模式下的功耗。如果负载需要跨越阈值才能开启，则启动时需要更高的功率。如果传感器节点在缓冲存储中运行，但能量采集器提供的输入功率不足，则可能在负载激活之前陷入停滞状态。即使功率足够高，使负载持续运行所有

深度睡眠时间以及定期将其唤醒（计划的运行模式）可能导致在激活前陷入停滞，因为在每次尝试跨越激活阈值时都会导致高功耗，从而导致输入端电压下降。通过该控制环路，负载被阻止激活，节点也无法按预期方式运行。每当输入电压低于负载的激活电压时，就会出现此问题。即使能够提供足够的输入功率，负载在充电过程中也会持续消耗功率，从而延迟启动时间。

为避免此问题，会使用特殊电路在负载无法工作且只会增加功耗时将其断开。由于该技术正处于快速发展阶段，因此有多种不同的名称，例如启动电路[64–66],、开关电路[67],、触发电路[68, 69],、控制单元[70],、欠压闭锁电路[71],、缓冲电路[72],以及唤醒电路[73]。

像TPS831这样的工业解决方案通常在低电压下缺乏明确的开关特性以及相关的低静态电流，如所示。为了实现从耗尽的储能装置进行低功耗监测（有时也称为“冷启动”能力），需要更先进的完全无源电路能够在整个电压范围内从零伏开始工作，并保持低静态电流。为了在转换过程中实现明确的开关行为和低功耗，需要具备开关迟滞特性。Alghisi等人提出了一种有前景的完全无源、双稳态“触发器”电路[74]，结合了这些优势。

8.4 系统优化

不仅子系统可以被管理，其集成也可以被管理。

不需要的子系统可以被关闭或旁路，以提高整体系统效率。根据能量可用性、电压水平、能量输入和功耗及其预测，可以采用不同的配置。

这种方法能够从特定的能量采集源中提取最大能量。然而，由于设计复杂、需要附加组件，并且要求对能量管理的各个领域有深入的理解，因此很少被采用。前面所述的多级能量管理也可归类为系统优化。

系统优化方法可以激活或绕过多种提取阶段，从简单的被动式单二极管解决方案到多二极管解决方案、最大功率点跟踪装置（MPPTs）、如电感器上并联同步开关能量采集器（P‐SSHI）等提取电路，如[76]中所述。它能够决定在混合配置中使用哪些能量采集器。它可以将能量直接从输入级传输至负载、负载和存储、仅存储等，如前文能量存储部分所述。它还可以在负载前激活或停用直流/直流转换器和电压监控器，通过工作模式影响负载的功耗特性，以及在多个负载之间进行能量路由等。

系统级能量管理针对整体效率对系统进行优化。节点的每个部分、每个转换器甚至采集输入都可能消耗超过所提供或提升效率所需的能量。能量管理会对此进行监控，并仅在能够提高效率时才激活子系统。如果节点需要能够从耗尽的能量存储中启动，则系统管理必须采用分阶段架构进行设计。由于复杂性较高，系统优化通常通过微控制器程序来实现。

9 无线能量管理策略

9.1 无线通信/链路层和网络层中的能量节约

无线通信对典型无线传感器节点的能耗影响最大，因此被视为具有高优化潜力的部分。发送数据比接收数据消耗更多能量，而使用射频前端比仅使用微控制器消耗更多能量。该领域能量管理的目标是最小化无线通信系统带来的功耗。在此领域存在多种降低功耗的方法。

一种方法是尽量减少传输次数，因为传输消耗的功率最大。这可以通过在传感器节点上预处理数据以压缩数据并消除不必要的信息来实现。基于传感器数据的控制决策可以在传感器节点内部直接进行，无需无线传输。数据可以在低占空比下发送，直至达到预设的测量数据阈值，从而提高发送速率。也可以选择完全不发送数据，直到超过紧急阈值时，传感器节点仅报告关键测量值。智能方法在传感器节点和接收器上实现相同的预测算法，仅在预测结果偏离设定阈值时才传输测量值。

如果无线传感器节点不仅需要发送还要接收控制命令，则存在不同的方法来决定何时进行监听，从而保持接收器处于活动状态。这些方法包括同步方法和异步方法。同步方法需要时间同步，以便发送方仅在目标接收方处于监听状态时才发送数据。为此，系统需持续保持活跃状态，或使用实时时钟定期唤醒微控制器和接收器。

异步方法则将数据多次发送至接收节点，直到确保数据已被接收。这种方法会大量消耗发送节点的能量，并在信道中引入大量额外的通信，导致可用带宽降低、往返时间增加，在最坏情况下甚至可能导致网络通信阻塞。该方法在由电网供电的中心节点构成的星型网络中是一种简单且可靠的解决方案。

先进的架构可以通过使用“唤醒接收器”在无需同步的情况下降低发送端和接收端的功耗。这些电路仅在有数据到达时才唤醒传感器节点，无需定期唤醒或长时间监听。唤醒信号由“唤醒电路”接收，并通过引脚中断将微控制器从睡眠模式中唤醒以接收消息。这种方式支持使用更深、更节能的睡眠模式。此类系统无需实时时钟，从而进一步节省功率。唤醒接收器甚至可以解析随唤醒信号传输的简单地址（另见[77–80]）。该技术能够实现网络中部分或单个节点的唤醒，但另一方面也增加了复杂性。更高的复杂性导致唤醒电路自身的功耗增加。目前的研究集中于开发完全无源的唤醒接收器，其所需能量直接从射频能量中获取。更多信息可参见[81, 82]。唤醒接收器也可采用非射频通信方式作为触发机制。[83]讨论了声学唤醒接收器。光脉冲和压力变化也可用于唤醒，并提供初始能量。尽管这类系统具有潜在应用前景，但相关研究尚未公开发表。

针对不同网络层进行优化，以适配通信方案并减少所发送的非实际数据字节数量，这种非实际数据被称为“开销”。大多数修改都在最低的网络层，即“媒体访问控制”（MAC）层中进行。

传感器部署是能耗考虑的另一个重要部分。将传感器更紧密地布置、使用定向无线电、自适应发送功率或避开墙壁，可以降低功耗。对于已部署场景的功耗预测，是无线传感器节点及其电源和能量缓冲器设计的重要因素。

为应对部署中的限制所引发的问题，例如长距离传输或分布式传感配置，采用路由能力的无线传感器网络得以形成。

9.2 能量感知路由、多跳部署和聚类

路由无线传感器网络包含多个传感器节点，采用非星型网络架构，如树形或网状架构。在此类部署中，无线传感器节点被分配不同的角色。中心节点从整个网络或部分网络中提取信息，并将其转换到其他网络或进行存储。这类节点被称为“操作员”、“网关”或“协调器”节点。不转发其他节点数据的节点称为终端节点，而转发其他节点数据的节点称为路由器。展示了包含这些无线传感器网络类型的小区网络的概览。在同构网络中，所有节点由相同的硬件组成；异构网络架构则相反。

无线传感器网络领域的能量管理涵盖了设计阶段的智能部署、自适应负载、功率和拓扑控制等任务。与上一节讨论的点对点通信类似，在此类配置中，数据缩减是一项全网任务。能量管理方法包括数据压缩、数据缩减、预测以及网络处理。所谓的“热点处理”用于避免某些传感器节点因收集多个邻近节点的数据而导致储能装置能量过快耗尽，从而降低部分传感器节点失效的风险。同步和唤醒接收器被用于实现节能的睡眠模式

针对执行接收任务的路由器或终端节点。典型的优化参数包括能量和功率功耗，以及节点和网络寿命，或在特定时间跨度内的主动式节点百分比。

在“移动性”这一术语下，讨论了具有移动终端节点、路由器或网关的空间变化的部署。动态组网、能量优化、路由、缓存和负载均衡为改善移动网络中无线传感器节点的能耗和寿命提供了可能。

10 结论

能量管理是无线传感器节点设计与运行中的重要组成部分。与仅关注存储的传统能源管理相比，由采集能源供电的系统中的能量管理包含多个相互作用的能量管理子系统。需要采用整体方法来整合能量可用性曲线、负载使用曲线、应用约束以及不可预测的环境影响。最终的能源管理设计包括定义所用子系统的系统结构，如最大功率点跟踪、主动式、被动式或多级能量管理，能量换能器及其尺寸、能量存储、组件参数化，以及在硬件和软件中实现的控制逻辑。基于测量和预测的调度可实现对可用能量和能量缓冲器的高效利用。

良好的能量管理能够实现由能量收集驱动的长寿命传感器节点和无线传感器网络。它有助于创建完全免维护的节点，可部署于恶劣环境、污染区域、危险或有害场所。一个例子是工作在高电势下的电力线监测传感器网络[85]，其通过无线方式进行通信，且无法接触/免维护。诸如用于电场的高灵敏度测量系统、完全浮置或电气隔离传感器等特殊应用也成为可能，因为这些系统可以通过光、振动、（超）声波及其他非电能领域获取能量并进行通信。

在某些领域，例如太空，能量收集和无线通信是实现长期且低成本运行的唯一可能方式。对于外星系统而言，功耗通常通过太阳能光伏收集器来实现，并不是主要关注点。此处的问题在于废热，由于太空中不存在对流，废热只能通过辐射方式散发。这表明存在其他限制因素，需要智能能源管理来应对。

复杂的能源管理概念不仅涉及静态应用，还应用于变化的环境中，并能自动适应。这种能力在移动部署中尤为重要。进一步研究正在对启动阶段工作的被动方案、测量与预测及外部数据的融合以及多能源的使用进行研究。