采集能源定量供應(yīng)：無線傳感器節(jié)點功耗限制

當(dāng)今的一些振動能源采集器，需要約 1.75–2.00 g 的加速度（室內(nèi)環(huán)境一般沒有這么大的量級）來產(chǎn)生 60 微瓦的功率。

能量存儲的板上容量非常有限，而采集環(huán)境能源的機(jī)會也很有限，因此需要傳感器非常節(jié)省地使用能源。例如，電池容量為 100 mAh 的一塊太陽能電池獲得 70 uW，便可為 10 年的節(jié)點使用壽命提供一半時間的供電。該節(jié)點必須讓其各子系統(tǒng)工作，且平均功耗不得高于 39 uW。

節(jié)點子系統(tǒng)
MCU、無線電設(shè)備、傳感器和傳動器具有極為不同的功耗/性能特性。要想滿足系統(tǒng)功耗預(yù)算，要求傳感器節(jié)點以最佳的方式管理其子系統(tǒng)。圖 1 顯示了用于實現(xiàn)一個節(jié)點的一些子系統(tǒng)。

現(xiàn)代的一些低功耗 MCU 工作在約 1MHz 時鐘頻率下時，其峰值功耗約為 345 uW。假設(shè)傳感器數(shù)據(jù)處理要求一般為中等，MCU 的占空比可以極?。ɡ纾盒∮?%），以降低平均功耗。

傳感器節(jié)點通常以相對較低的速率，傳送物理現(xiàn)象和相關(guān)控制消息等信息。表 2 總結(jié)了一些重要低功耗無線通信技術(shù)的顯著特性。

表 2 一些低功耗通信架構(gòu)比較

表 2 列舉的功耗量，僅作為系統(tǒng)設(shè)計的一般指導(dǎo)原則。隨著收發(fā)器設(shè)計的發(fā)展，其功耗越來越低。選擇某種收發(fā)器構(gòu)架時，考慮設(shè)計的各個方面很重要。無線局域網(wǎng) (LAN) 收發(fā)器比 Zigbee® 收發(fā)器消耗更少的能源/比特，但其針對更高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了優(yōu)化，峰值功耗更高。

與室內(nèi)應(yīng)用相關(guān)的一些傳感器實例包括：溫度計、溫度傳感器、麥克風(fēng)和被動式紅外傳感器。現(xiàn)在的一些溫度及濕度傳感器和麥克風(fēng)，峰值功耗約為 70–80 uW。能夠探測人類活動的一些被動式紅外傳感器的峰值功耗一般為 100–500 uW。溫度及濕度傳感器監(jiān)測緩慢變化的現(xiàn)象，并且工作在低占空比下，而用于探測運動的其它一些傳感器關(guān)閉則會降低探測性能。在許多應(yīng)用中，傳感器需要比數(shù)據(jù)處理或者無線通信更多的能源。因此，滿足系統(tǒng)功耗預(yù)算，要求使用創(chuàng)新的方法來管理傳感器。

結(jié)論
盡管在計算、通信和傳感方面都有了巨大的進(jìn)步，但是缺乏足夠的電源和能源，這仍然是擺在實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面前的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。能源采集和存儲的一些技術(shù)進(jìn)步在不斷的緩解電源瓶頸，但終端應(yīng)用的一些需求也在不斷推高其要求。若想拉近這種持續(xù)存在的電源-需求差距，要求一種系統(tǒng)級的設(shè)計方法，對性能進(jìn)行最佳的折中處理，以實現(xiàn)節(jié)能目的，同時保證最低限度的服務(wù)質(zhì)量。未來的無線傳感器節(jié)點，將會自主適應(yīng)隨時間變化的應(yīng)用需求和能源供應(yīng)。