基于空间电磁波能量的无线传感器网络自供电技术研究

Solving the energy crisis is critical to prolonging the lifetime of wireless sensor network (WSN) and reducing the power consumption, which is a key issue in wireless sensor network. The development of low-power large scale integrated circuits has reduced the energy consumption of wireless sensor nodes to the level of μW-mW. Correspondingly it seems feasible to harvest ambient energy for self-powered WSN nodes. Harvesting ambient energy to replenish energy for WSN nodes can effectively improve the limited energy condition of WSN and then improve its performance.Aiming at making the best of the energy harvesting to slove the short-life issue of battery, the project focus on the application of real-time monitoring WSN, involoved with energy harvesting and management in WSN.On one hand, magnetostrictive/piezoelectric transducer is studied to convert electromagnetic wave energy into electrical energy for WSN nodes.The theoretical model is researched with the equivalent circuit method.High Q value and broadband energy harvester is designed and fabricated,and it is further optimized with the proposed analysis model.On the other hand,according to the characteristics of supplied ambient energy, highly efficient energy management strategy is studied to utilize the harvested energy timely and effectively, which involves with relevant advanced protocols and algorithms. This project focuses on how to improve energy harvesting and utilization efficiency with novel structure design and highly efficient energy management strategy depending on characteristics and variance of electromagnetic wave energy, and proposes the corresponding solutions.

无线传感器网络节点的能源问题是延长WSN应用寿命和降低成本的关键, 成为WSN研究的核心问题之一。随着低功耗集成电路的发展，芯片所需功耗越来越低，己降到μW至mW级水平。这使得实现传感器节点的自供电成为一种解决能量问题的可行途径。收集环境能量为节点补给电能，可有效改善仅有电池供电的WSN能源受限状况，提高WSN性能。为实现传感器节点的自供电，本项目以面向实时监测的WSN为应用目标，分别从能量采集和能量管理两方面对WSN节点自供电技术展开研究。针对适于WSN节点利用的电磁波能量采集方式，一方面以磁致伸缩/压电换能器为研究对象，利用等效电路法建立其理论模型，优化结构设计，研制高Q值、宽频带能量采集器。一方面根据采集环境能量补给节点的供能特点，研究能适时和高效利用补给能量并保持节能特点的能量管理策略。项目重点研究提高能量采集效率的方法和适应电磁波能补给特点并提升性能的能量管理策略，给出相关方案。

无线传感器网络节点的能源问题是延长WSN 应用寿命和降低成本的关键, 成为WSN 研究的核心问题之一。随着低功耗集成电路的发展，芯片所需功耗越来越低，己降到μW 至mW 级水平。这使得实现传感器节点的自供电成为一种解决能量问题的可行途径。收集环境能量为节点补给电能，可有效改善仅有电池供电的WSN 能源受限状况，提高WSN 性能。本课题提出磁电层合式电磁波能量采集器，利用磁电层合材料采集空间电磁波能量，实现磁电能量转换提供网络节点电量，为电磁波能量采集提供了新的思路。首先从理论上研究了磁致伸缩材料与压电材料层合所产生的磁电效应，并分析了磁致伸缩材料的性能参数对磁电响应特性的影响；其次考虑到磁致伸缩材料性能、换能器工作频率、偏置磁场对磁电转换性能影响，设计了几种具有积累和汇聚电磁波的层合换能器结构，并建立其理论模型进行优化设计和宏观模型实验；然后理论推导了层合换能器的能量转换效率以及负载输出功率特性，建立电磁波能量采集器测试系统，实验测试其性能；最后结合电磁波能量自供能的特点，研究能量管理系统。重要研究结果包括：（1）层合材料磁电电压系数正比于磁致伸缩材料的磁导率相关，磁导率越大磁电电压系数越大。（2）为了提高磁电复合结构的输出电压和避免涡流损耗，设计了非对称的FeNi-PZT-FeCuNiSiB层合磁电换能器，其弯曲谐振频率下磁电电压系数达到1.18V/Oe是FeNi-PZT的1.68倍。（3）设计了零偏置层合磁电换能器，利用磁荷理论分析了非晶态合金对磁致伸缩材料内部有效磁场分布的影响，采用磁致伸缩材料的非线性本构关系研究了非晶态合金对其压磁系数的影响，并建立了磁电响应理论模型。随着层合结构层数的增加，零偏置磁电电压系数先增加后减少。七层Fe-5FP-Fe的零偏置磁电电压系数达到5.14V/Oe，分别是三层FeFP的2.35倍，五层Fe-3FP-Fe的1.53倍，九层Fe-7FP-Fe的1.22倍。（4）设计一种三相压电/磁致伸缩/非晶态合金层合换能器，不仅具有高的磁电电压系数同时出现了双峰值现象。三相PZT-8/Terfenol-D/FeCuNbSiB层合换能器最大磁电电压系数随FeCuNbSiB厚度的增加层合换能器的最大磁电电压系数接近一个线性的增长。（5）磁电换能器负载输出功率特性随谐振磁电电压系数的增大而增大；磁致伸缩层所获得的输入功率与其磁导率成正比。