无线传感器网络射频能量采集系统设计方法

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 4（2018）228www.elsevier.com/locate/icte一种新的无线传感器网络射频能量采集系统设计方法放大图片作者：Alex Mouapia， Nadir Hakema，Gilles Y. Delislea，ba加拿大魁北克省Val d 'Or市魁北克大学Abitibi-Témiscamingue（UQAT）地下通信研究实验室b加拿大魁北克市拉瓦尔大学电子与计算机工程系G1V 0A6接收日期：2017年1月20日;接受日期：2017年11月9日2017年12月23日在线发布摘要为了达到控制环境的目的，近年来无线传感器网络（WSN）迅速兴起。然而，传感器节点的寿命表现出强烈的依赖于电池容量。最近，能量收集技术已被认为是允许使用的无线传感器网络中的“部署和忘记”模式。本文提出了一种无线传感器网络的性能评估奴役的优化辐射能量收集系统（REHS）。在低能量自适应分簇层次（LEACH）协议中，传感器节点的能量预算被量化，并用于评估无线传感器网络的性能。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：能量收集; LEACH协议; REHS;无线传感器网络1. 介绍智 慧城 市概 念越 来越 多 地用 于将 信息 和 通信 技术（ICT）整合到城市环境中。因此，无线保真（Wi-Fi）和无线传感器网络（WSN）中的公共接入终端具有改善人们生活的众多应用。特别地，无线传感器网络越来越多地用于若干应用中;这包括但不限于结构监测[1]、栖息地监测[2]、健康监测[3]和物联网（IoT）环境[4]。部署无线传感器网络的一个主要限制是它的能量依赖，因为传感器节点是电池供电的，因此具有非常有限的能量容量。在某些情况下，包括电池更换或再充电的维护操作可能是昂贵的。对于物联网（楼宇监控）等应用，可能无法更换电池最近，能量收集技术，包括*通讯作者。电子邮件地址：alex. uqat.ca（A. Mouapi），nadir. uqat.ca（N.Hakem），gilles. gel.ulaval.ca（G.Y. Delisle）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.11.002将一次能源（即，光、振动、气流、电磁波、热）转换为DC能量能量收集技术因所使用的主要来源的性质而彼此不同。表1[6]中列出了各种来源和获得足够能量所需尺寸的比较与其他采集器相比，RF能量采集器的尺寸较小。这对于微型应用是有利的。这项工作的主要目标是提高传感器节点所使用的解决方案提议将节点从属于无处不在的RF能量源。奴役涉及确定网络规模，可以测量的物理现象的类型以及WSN的范围。为了实现这一目标，所提出的方法比较了从电磁波的能量需求的传感器节点在一个操作周期中的可恢复的能量的量。这个问题的概念图如图1所示。使用与整流电路结合的天线，称为整流天线（整流天线2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。A. Mouapi等/ ICT Express 4（2018）228229[]E d=M/2πk（2）11（）下一页（）下一页（）下一页K2表1无线传感器网络的能量收集技术比较[6]。能源性能必要尺寸风量0.4照明（室内）10振动200热电40Fig. 1. 从属传感器节点的概念视图。从电磁波中获取能量然后，这些能量用于为无线传感器节点供电，该节点的功能是收集、处理和传输环境数据（例如温度、压力和湿度）。考虑到天线的互易性原理，同一天线用于数据传输和用于恢复周围环境能量。基于这项工作的目的，这封信的组织如下：在第2节中，提出了一个传感器节点的消费模型假设整个WSN中可用的RF能量的量是相同的，在这项工作中考虑了低能量自适应聚类层次（LEACH）协议;这允许将WSN负载公平分配到它包含的不同节点[7]。第三部分介绍了一个小型高效整流天线的设计实验结果。然后使用整流天线的电输出特性来评估无线传感器网络受制于RF能量的性能第4章结束了这封信2. LEACH分簇无线传感器网络中传感器节点的能量预算由于无线传感器网络的寿命取决于单个传感器节点的寿命[7，8]，因此有效利用每个节点的能量是一个至关重要的在这种情况下，LEACH协议允许WSN的不同节点具有公平的负载，这是通过在每一轮中对簇头进行置换这（CH）选择机制。每一轮由两个阶段组成，建立阶段和稳定阶段。在建立阶段，每个节点决定是否成为当前轮的簇头在稳定阶段，簇头从普通节点收集数据，聚合数据并将其发送到BS。为了定义传感器节点的能量需求，做出以下合理假设：仅考虑稳定阶段消耗的能量[7];仅考虑用于发送和接收数据的能量[9];所有传感器节点是同构的，所述传感器节点测量相同的数据量，并且都位于距CH的平均距离d1处固定BS位于远离传感器场的位置。因此，所有CH与BS的距离近似为相同的d2;Friis空间模型被考虑用于簇内通信，而多径衰落模型将被用于CH和基站之间的通信[7];簇的形状是圆形的，并且都是相同的大小：无线传感器网络包括N个均匀分布在表面M2的区域中的传感器。每个簇包括表面M2/k上的N/ k个节点[10];集群内的所有传感器节点使用时分多址（TDMA）来访问它们的CH [10];• 在CH中进行了完美的数据聚合[7]。在所有分析中，考虑了[7，8]中使用的相同无线电模型。读者可参考这些参考资料了解更多详情。一旦收集到测量，普通节点（ON）只需将它们传输到CH。然后ON中每轮消耗的能量表示为：EON（ε，d1）=εEε+ε fs. 第2条（1）其中，Ef是发射机和接收机电路中的每比特能耗，εfs是多衰减模型放大器能耗。如果CH被假设为簇的质心，则从节点到簇头的期望平方距离d2被定义为[7]：2 21替换Eq。（2）进入Eq。（1）给出：EON（ε，k，M）=ε Eε+εfs。M2/2 πk（3）CH必须从ON收集数据，聚合数据并将其发送到BS。因此，CH的能量预算由下式定义：E N在[7]中首次提出了这一思想，其基本概念是将数据从传感器节点通过其簇头逐轮传输到基站在每一轮中，一个随机的簇头ECH=（N/k− 1）E+DA+ΔEΔ+εamp. d4（4）其中EDA是数据聚合的能量[7]。·······230A. Mouapi等/ ICT Express 4（2018）228=2√()=-=-每轮在簇中耗散的能量可以由下式定义：ECluster=（N/ k−1）EON+ECH（5）每轮的总能量是E总k E簇。由于总网络负载在所有节点之间均匀分布，因此我们推断每轮节点的平均消耗由下式定义：E节点=E总数/N（6）替换Eqs （3）和（5）的方程。并且通过关于k对所得到的方程求微分并且等于零，所得到的聚类的最优数量k_opt为：kopt=M<$εfs<$N/2 π ε安培d4− E（7）节点的最小消耗将由下式定义： =（k E簇/N）|k=kopt（8）在这项工作的继续中，d C H − BS参数将用于将传感器节点从属于被设计为在2.45 GHz频带中实现最佳性能的整流天线。3. 用于2.45 GHz射频能量收集的高效微型整流器设计在无线传感器节点的设计中，大多数使用的无线电模块工作在2.45 GHz [6]。然后，本节提出了一种小型高效整流器电路的设计方法，该电路适用于ISM频段，集中在2.45千兆赫。给定随机输入RF功率，重要的是优化收集电路以具有最小可用能量。在本工作中，优化将是设计一个高效率的整流电路。设计方法基于整流二极管的明智选择，整流二极管除了具有最佳转换效率之外，还应该具有高度灵敏度，以便检测低环境RF功率电平。3.1. 整流二极管选择整流器电路的灵敏度直接相关，整流器电路的作用是对所用整流二极管的灵敏度[11]。然后，对整流天线效率的影响因素是二极管效率和由二极管电参数提供的整流天线电路上的损耗的显著部分。考虑到信号的高频性，在整流电路的设计中，最常用的是快速开关肖特基二极管。最近使用的整流二极管的非详尽列表如表2所示。在[12]中已经提出了使用图2所示的具有电阻负载RL考虑到表1中给出的二极管结果示于图3（a）中，并且观察到HSMS 2850和HSMS 2850在不同的温度下具有不同的温度。表2常用二极管[10]。二极管HSMS 2810HSMS 2820HSMS 2850HSMS 8101Cj0（pF）1.10.70.180.26RS（▲）1062514Vj（V）0.650.650.350.35Cj0是二极管图二. 肖特基二极管的小信号模型[12]。8101二极管与其他考虑的二极管相比显示出最佳效率。为了选择整流二极管，图3（b）中提出了这两个二极管的检测阈值的比较。该分析使用ADS（高级设计系统）模拟版本2014进行。该曲线表明，HSMS 2850二极管可以检测到非常低的功率水平。它就是这个二极管，它将被考虑用来设计整流器电路。3.2. 实验验证对所设计的整流电路进行了实验验证。整流器的几种拓扑结构通常使用：单个串联或并联二极管，倍压器和桥式电路[10]。这里使用倍压器（图6），因为对于相同的RF输入功率，它具有比其他拓扑结构图4中示出了相应的制造电路。为了实现该电路，RO350B衬底（εr3 .第三章。48 h0。76毫米， 不 35 µm，tanδ0。0037）的罗杰斯公司是选择了超小型A型（SMA）连接器用于将整流器连接到微波源。使用图4所示的实验装置。它包括一个Anritsu微波源MG 3700A，内部阻抗为50▲，能够传输高达6 GHz的信号。图5所示的实验结果很容易与模拟结果进行比较。在实验曲线上观察到轻微的失真，这是由于在模拟中没有考虑外壳的寄生3.3. 整流器性能改善匹配电路必须放置在微波源和整流器之间，以确保最佳的功率传输（图1）。在这项工作中，ADS 2014阻抗匹配工具用于确定滤波器的大小。该工具允许我们在我们的方案中放置一个元件，并根据手动定义的某些参数生成匹配电路，然后A. Mouapi等/ ICT Express 4（2018）228231(a) Vdc= 1 V时效率与负载电阻的关系(b) 二极管的检测阈值图三. 二极管的性能比较见图4。 实验装置。根据我们的目标进行优化。这里考虑带通滤波器 所产生的滤波器和整流器电路的示意图如图所示。第六章利用ADS软件中的优化功能，找到最佳匹配电路，达到更好的性能，图五. 整流器测量结果。见图6。 具有匹配电路的整流器。(a)输入回波损耗。（b）效率。(c) 输出电压。 （d）输出功率。见图7。 优化整流器性能。效率和输出电压。在这项工作中使用的优化是梯度法搜索[13]。在设计匹配电路后，通过同时设置两个目标来优化所有组件：最小化2.3 GHz和2.6 GHz之间的回波损耗，以及最大化DC输出电压。45次迭代后得到的结果如图所示。第七章对于0 dBm的输入功率，达到1.85 V的输出电压（图7（c））。最高转换效率49%232A. Mouapi等/ ICT Express 4（2018）2284π−−≤≤≥×表3伦敦射频测量总结[14]。）最大功率密度S（nW/ cm2）江西篇章在不同频带中获得的结果记在表3中。假设中频带天线增益随频率恒定[15]，则输入RF功率可通过下式计算：λ2P RF=S。一个真正的黑人。G（f0）0（十）其中Areal是天线的捕获面积，λ0是在中频带频率f0处的自由空间波长，G（ f0）是接收天线在f0处的增益。 图8表示取决于接收天线的增益和WSN应该被部署到BS以奴役传感器节点的在接待处。对于我们的实验，M=2一百米，见图8。基于接收天线增益的传感器节点性能评估。在5 dBm左右。实现这些性能的元件值如图6所示。电感以µ H表示，电容以p F表示，电阻以k▲表示。图7（d）示出了最佳负载随RF输入功率而变化。输入功率为0 dBm时，最大二、在最佳负载电阻为3时，输出功率达到466 dBm（0.57 mW）。3 k▲。3.4. 传感器节点假设所有恢复的功率专用于传感器节点的操作，则时间T期间的可用能量（Erec）被定义为：N=100，E=50 nJ/ bit，εfs=10 pJ/ bit/ m，εamp=0。0013 pJ/位/m;EDA= 5 nJ/位/信号;E= 4200位，以及0dWSN−BS1000。由于可恢复的功率很小，因此必须使用高增益天线。如果每10分钟执行一轮（图8（a）），则必须仅在距离BS 216 m处部署WSN图8（b）示出了无线传感器网络应该部署在距离基站591米处，以便每30分钟进行一次测量。对于每50分钟执行一次的测量（图8（c）），可以将WSN部署在距离BS 800 m处。图8（d）考虑了每小时进行一次测量的情况，因为由于热惯性，环境温度的变化非常缓慢无线传感器网络可以位于距离基站900米处。4. 结论提出了一种射频能量驱动的自主无线传感器网络设计方法。该方法包括奴役的无线传感器网络节点的可用能量的量Erec=PmaxT（9）其中Pmax是最大可恢复功率。传感器节点仅在（ErecEnode）时才能工作。为了估计传感器节点在真实环境中的性能，考虑在Wi-Fi频带中测量并在[14]中提出的谱密度。在以前的工作中，这些作者在英国伦敦市测量了功率密度。测量在频率的中频（0.3将无线传感器网络与基站之间的距离作为奴役参数。所得到的结果表明，在0 dBm的环境射频功率，一个无线传感器网络与100 - 100 m2的分布式节点虽然所获得的结果验证了电磁波作为传感器节点（在偏远地区）的替代能源的使用，但改进仍然是可能的。例如，可以考虑在GSM频带····带频率（MHzDTV（切换期间）470–610460GSM 900（MTx）880–91539GSM 900（BTx）925–9601930GSM 1800（MTx）1710–178520GSM 1800（BTx）1805–188063903G（MTx）1920–1980663G（BTx）2110–2170240WiFi2400–25006A. Mouapi等/ ICT Express 4（2018）228233而不是ISM频带，因为已知900 MHz GSM频带具有更好的功率密度。利益冲突‘The authors declare that there is no conflict of interest inthis引用[1] V.J. Hodge，S. Weeks，A.Moulds，无线传感器网络在铁路行业的状态监测：一项调查，IEEE Trans. 内特尔运输单16（3）（2015）1088-1106。[2] A.再来点，S。Wagh，K. Joshi，在无线传感器网络中使用Wi-Fi的栖息地监测系统的测试台，在：IEEE计算智能和计算研究国际会议，ICCIC，马杜赖，2015年，pp. 1比6[3] I. Mohd Noor，M.R. Yuce，医疗植入通信系统（MICS）频带和网络综述，ICT Express 2（4）（2016）188-194。[4] Q. Chi，H.延角，澳-地Zhang，Z.潘湖，澳-地徐达，物联网环境下工业无线传感器网络的可重构智能传感器接口，IEEE Trans. Ind. Inf.10（2）（2014）1417-1425。[5] S. Sudevalayam，P.Kulkarni，能量收集传感器节点：调查和影响，IEEE Commun。监视器家教13（3）（2010）443-461。[6] V.C. Gungor，G. P. Hancke，工业无线传感器网络：Chal-schemes，设计原理和技术方法，IEEE Trans. Ind. 56（2009）4258-4265。[7] W.B.作者声明：A.李文，一种基于无线传感器网络的无线传感器网络协议. Commun. 1（4）（2002）660-670。[8] V.P. Mhatre角Rosenberg，D.科夫曼河Mazumdar，N. Shroff，一种具有生命周期约束的最小代价异构传感器网络，IEEE Trans.Mob。Comput. 4（1）（2005）4-15。[9] V. Shnayder，M. Hempstead，B.R. 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