如果我们周围的系统能够自己检测其环境变化并做出反应,这毫无疑问会彻底改变我们的生活。无线传感器网络就是这样一个系统,系统中的一些分布式传感器实施(节点)通过无线方式相互通信,共同对物理刺激做出响应。本文概述了节点的一些最新发展情况,帮助您了解系统级的设计方法。
基于易于部署和更低安装成本方面的考虑,各个节点都要求能够以无线方式通信。为了降低通信开销和缩短响应时间,我们希望节点能够本地处理传感器数据,并可以控制传动器。对大量的节点进行日常维护(例如:电池更换等),其成本可能会极其的高。理想的情况是仅依靠存储/采集能源传感器便可持续工作数年时间。
传感器、无线电设备和微控制器(MCU)的选择取决于具体的应用性质。本文重点介绍办公环境下的传感器网络,其面向的应用包括能源管理、安全或者资源规划等。
能源与存储
光能通常是室内环境下存在最多的一种环境能源形式。现代的一些太阳能电池(由非晶硅制成),在一个200 lux荧光灯光源的照射下,可产生约5μW/cm2。表1列举出了能源获取速率的估计值,其表明一块 10 cm2 太阳能电池可产生 70–120μW。
微型热发电机利用一定的温度梯度来产生电能。但要产生15μW/cm3 的功率密度,热采集器需要约10℃的热梯度。许多应用环境,特别是室内环境,都没有较大幅度的温度波动。因此,热采集器的适用性受限于这些环境。
当今的一些振动能源采集器,需要约1.75–2.00 g的加速度(室内环境一般没有这么大的量级)来产生60微瓦的功率。
能量存储的板上容量非常有限,而采集环境能源的机会也很有限,因此需要传感器非常节省地使用能源。例如,电池容量为100 mAh的一块太阳能电池获得70 uW,便可为10年的节点使用寿命提供一半时间的供电。该节点必须让其各子系统工作,且平均功耗不得高于39 uW。