采集能源定量供应：无线传感器节点功耗限制
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。
图 1 显示了一个实例网络以及每个节点的子系统。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。
图 1 传感器节点通过采集能源供电，自主判断其环境变化情况，并可利用多种协议进行通信。
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 5 uW/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 70–120 uW。
表 1 一般室内荧光灯照明环境下的能源获取速率近似值
| 房间 | 强度 (lux) | 功率密度(uW/cm2) | |||||||||||||||||||
| 会议室 | 300 | 7.5 | |||||||||||||||||||
| 办公桌 | 500 | 12.5 | |||||||||||||||||||
| 走廊 | 400 | 10.0 微型热发电机利用一定的温度梯度来产生电能。但要产生 15 uW/cm3的功率密度，热采集器需要约 10oC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。 节点子系统 MCU、无线电设备、传感器和传动器具有极为不同的功耗/性能特性。要想满足系统功耗预算，要求传感器节点以最佳的方式管理其子系统。图 1 显示了用于实现一个节点的一些子系统。 现代的一些低功耗 MCU 工作在约 1MHz 时钟频率下时，其峰值功耗约为 345 uW。假设传感器数据处理要求一般为中等，MCU 的占空比可以极小（例如：小于1%），以降低平均功耗。 传感器节点通常以相对较低的速率，传送物理现象和相关控制消息等信息。表 2 总结了一些重要低功耗无线通信技术的显著特性。 表 2 一些低功耗通信架构比较
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