作者：莫尼卡

        组建无线传感器网络被人们视为在多种应用中连续收集数据的一种重要方法，但是必须克服一些技术上的问题，这种网络才能在真实的应用中得到广泛使用，其中一个难点就是如何为处于偏僻角落的传感器供电，让它们迅速适应新的环境。许多应用要求传感器节点小于10美分硬币，利用钮扣型电池供电。为放置在偏远地方的传感器更换电池，即使是长效电池，也是一项费钱费力的事情。因此，研究人员和系统设计人员正在研究如何发掘能量捕获的潜力――把周围环境中的能量转化为传感器可以使用的电能。

        利用多种能量来源

        能量捕获器能从风、温度、振动和其它自然现象等相对来说无穷无尽的来源中获取能量，提供传感器节点所需的电能。目前，Continuum Control、Ember、EnOcean Applications、Ferro Solutions、Millennial Net、MicroStrain和Microtrend Systems等小厂商在这个初生领域中走在前列，飞思卡尔、罗克韦尔(Rockwell)和德州仪器等大公司也参与其中。如果它们的研究取得成功，将能实现对重型机械、轮胎压力和车内温度的监测等应用，以及检测轮船和飞机中的潜在问题。

        Ferro Solutions和Continuum Control公司的开发工作可能是未来能量捕获器的先驱。前者的能量捕获器(Ferro Solutions Energy Harvesters, FSEH)是一个独立的电源，利用振动产生电能，并用它来为无线收发器、传感器、微型马达和驱动器供电。该公司表示，FSEH可以利用微弱振动来提供连续的、几乎无尽的电能，足以用来驱动传感器、RF发射器和其它电子器件。由于这种能量捕获器非常灵敏和高效，它们可以从人体几乎感觉不到的振动中发电。当暂时不需要电能时，可以把这些电能储存在一个超级电容器之中备用。

        该公司对FSEH的研究得到了美国海军的资助，后者希望给军舰和潜艇的新型无线监测系统供电，要求FSEH具有成本效益、易于安装和易于维护。Ferro Solutions声称是第一个“利用一个只有口香糖大小的器件从微振动中获得毫瓦级电能的公司”。该公司表示，虽然竞争对手也利用类似尺寸的器件获得了毫瓦级的电能，但FSEH利用同样的输入能量，可产生的电能是对手的10到100倍。目前的FSEH可以利用一个尺寸大约为1.8×1.8英寸的圆柱形器件产生9.3mW的功率。输入振动以mg's为单位来计算，敲打桌子时产生的人能够感觉到振动约为20mg's。在21Hz、100mg's的振动环境中，FSEH产生的能量密度是每立方英寸2mW。

        Millennial Net公司已经将其i-Bean无线技术与Ferro Solutions公司的能量捕获技术结合在一起，形成一个感应振荡能量转换器，它能从28~30Hz、50~100mg's的振动中产生1.2~3.6mV的电压。这种i-Beans方案包括小型、超低功率、自组织无线器件，使传感器和其它监控设备能够通过低数据率网络连接起来。

        而Continuum Control公司的ipower能量捕获器则能把运动产生的机械能转换成电能，用来驱动单机器件。Continuum通过智能、高效的电路，捕获压电材料形状变化所产生的能量，它的iPower系统由两项自有技术组成，该公司称之为PiezoFlex复合材料和自供能电子技术(Self-Powered Electronics)。

        PiezoFlex复合材料可用于多种应用之中，包括使高尔夫或网球用具感应球手的挥拍动作并作出反应的系统；感应并控制车内噪音的汽车仪表板；用在直升机叶片上使之适应不同的飞行状态，获得最大的燃油效率、速度和爬升率等等。当压电材料发生运动或振动的时候，采用自供能电子技术提取、存储和使用压电材料提供的电能。Continuum公司表示，利用这些技术，它能够捕获的电能是以前无线传感器节点无源方案可能获得的电能的10倍。

        MicroStrain公司则利用一个基于电容器电荷存储的电源管理方案，在压电材料上获取张力。无线电路在电荷积累到能够驱动它的水平以前保持断开状态。电源管理电路探测压电条上的电压，并断开晶体管使电容器积累电荷。当检测到电容器上的电压达到9.5V的阈值时，无线传感器节点被接通并发送数据。发射器利用12μA和3V的电力发出418MHz频移键控(frequency-shift-keyed)编码数据流，距离可达三分之一英里。此外，MicroStrain的网络使用可寻址感应节点，节点中含有数据记录能力和双向RF收发器通讯链路。

        同时，厂商正在设法使每个节点能够独立工作和消耗较少的能量，以开发低功耗无线传感器网络。MicroStrain的研究人员介绍了在开发极低功率智能无线传感节点方面所做的工作。他们设计的系统与利用压电材料或太阳能电池或同时使用两者的能量捕获技术兼容。无线传感节点包括一个Microchip的微处理器、板上内存、传感器信号调整、2.4GHz IEEE 802.15.4射频收发器和可充电电池。感应是通过一个1,000欧姆的金属箔张力计完成的。该系统在不取样的时候处于睡眠状态。在10 Hz时，电流消耗和电压分别是300μA和3Vdc (900μW)；在5Hz时，系统产生400μW的功率；在1Hz时，产生90 μW的功率。

        研究人员在报告中指出，压电张力能量捕获系统在低水平振动条件下提供大约2,000μW的电能。输出功率水平也从两个微型太阳能电池测出，这两个电池提供较宽的输出功率(从大约100到1,400μW)，具体功率水平取决于光照类型和与光源的距离。

        超低功率控制

        TI宣布与Ember公司合作推出全球功耗最低的ZigBee无线网络与微控制器平台。ZigBee是一种标准化的无线电传输技术，能够满足远程监控、控制与传感器网络应用的特殊需求， Ember公司已将其符合EM2420 802.15.4/ZigBee标准的半导体平台与 TI 的 MSP430F161X系列超低功耗MCU进行集成，以便开发人员构建需要超低功耗的ZigBee应用。此外，TI的MSP430 MCU平台还将支持Ember的新一代 EM260网络处理器

        MSP430F161X MCU系列实时时钟待机电流的消耗仅为1.1μA，而运行模式电流低至300μA (1MHz)。Ti的MSP430市场经理Juan Alvarez表示，它的总体功耗仅是同类器件的十分之一。

        TI也在与Microtrend Systems公司合作研究一种开发板，它使用MSP430控制待机电流为0.1μA、时钟启动时间小于1μS的压电振动传感器。

        面向采用低功率传感器的消费电子市场，另一家大型半导体公司飞思卡尔开发出了基于微机电系统(MEMS)的三轴向重力可选传感器――MMA7260Q，专门面向便携式消费者电子产品。MMA7260Q具有从1.5g到6g的重力加速度选择功能。这就使设计者能够灵活地选择特定应用需要的重力检测水平。

        MMA7260Q是一款单芯片器件，具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地响应位置、方向和移动的变化。它的封装尺寸很小，适合电池驱动的器件。三星电子在它的YH-J70和YP-T8数字音频播放器中已采用飞思卡尔的上述传感器。

        飞思卡尔也在致力于开发面向无需电池的轮胎传感器的压电解决方案。这种器件嵌入在轮胎之中，以无线方式把压力数据传送到司机的显示器上。但该公司表示，要想使这种器件在2007年或2008年以前批量上市，必须解决封装和接口方面的问题。

        初创公司也在积极跟进。EnOcean公司推出太阳能无线传感器模块――STM100，它在尺寸为20×40×10mm的模块中集成了用于控制的微处理器、RF收发器和光能捕获与存储器，以及3个模拟和4个数字传感器连接器――但不是传感器本身。STM100采用两节太阳能电池，一节电池提供快速启动能量，另一节电池为板上能量源充电。STM100模块适用于室内操作，照明亮度仅需200lux。建筑物中的典型照明亮度――从走廊的200 lux，到桌面的500 lux，一直到陈列柜的1,200 lux。EnOcean公司声称，其能量存储足够支持模块在完全黑暗环境中持续工作5天。

        Rockwell Scientific公司则开发出了一种技术，当用于线性发电机时，可以显著改善其效率，并使其能从非常微弱的外部运动中捕获能量。Rockwell公司表示，其中的核心元素是表面处理工艺，它把一个磁铁与一个非磁表面之间的摩擦力降至只有特氟纶(Teflon)表面之间的四十分之一。该公司的初步目标是进行论证和充分了解器件特点，用于在海上环境中的能量捕获。在项目最后，将布署与1~2W能量捕获器件集成的海洋学传感器，进行实地试验。计划开发更强大的器件，用于远程发电站和士兵装备的便携电源组。