森林监测无线传感器网络自供电技术研究进展

总结电势差是活立木对液流、光合作用、适应环境反馈控制的物理、化学、生化反应的综合体现，暂时还不能给出详细的模型来解释这个电势差，他们提出了与液流动电机理不同的一种基于电荷从导电液流沟道向电阻木质部墙扩散的活立木生物电产生机理。Christopher J.Love等人在排除可能的外部来源（例如射频噪声、地电流和不同金属间的氧化还原反应等）的前提下，测量了盆栽的垂叶榕树的木质部与其生长的各种酸碱度土壤之间的电势差，通过实验结果得出，活立木木质部和土壤之间的pH值的变化是引起其内部与生长环境周围的土壤之间电势差的主要原因。

针对森林监测中的无线传感器节点供电问题，Voltree Power公司设计、测试了树电环境检测仪系统，并成功应用于爱达华州的博伊西国家森林的火灾监测中。北京林业大学李小婉从利用森林环境中的活立木生物电能与太阳能角度出发，通过对活立木生物电能产生机理分析，探讨了活立木生物电能的特点，设计了活立木生物电能与太阳能的收集系统，模拟了森林环境，进行系统电路性能的测试，试验表明所设计的电路基本满足低功耗无线传感器节点数据采集、传输的能量需求。北京林业大学郝志斌、尹凤媛等也探讨了活立木生物电能为无线传感器节点供电的问题，分析了环境因子，例如环境温度、土壤湿度和pH等对活立木生物电的影响。

关于活立木生物电能的产生机理还在进一步研究中，国内相关的研究较少，总体来说这一领域的研究还不广泛。在后续的研究中，在探索活立木生物电能产生机理的同时，需要进一步提高收集活立木生物电的能力，优化现有电路，为实际应用在森林监测的无线传感器节点供电提供保障。

2.5 环境振动能量

环境振动能量收集也是近年来研究热点，在森林环境中，风能收集和振动能量收集是相辅相成的。振动能转换为电能的方式主要有电磁、静电和压电这三种。对于电磁发电方式，磁体相对线圈运动，线圈中产生感应电流，类似于发电机；对于静电方式，通过改变电容极板间距从电容中抽取电荷，使用这种方式，收集器还需要用于提供电荷的电压源；对于压电材料方式，材料的机械应变产生电荷，振动载荷引起交变电压。无论是哪种发电形式，振动能量收集系统的基本原理都如图4所示，包括振动发电、电能转换、电能存储和负载应用等4部分。以压电振动发电为例，振动发电部分就是基于压电材料的机械结构，由于压电效应产生的电能是交流电，所以需要电能转换模块将交流电转化为直流电，电能经过存储模块才可以更好的为负载应用供电，针对无线传感器网络，负载应用就是为传感器节点供电。针对为无线传感器节点供电问题，国内外学者对环境振动能量进行了广泛的研究。美国学者探讨了环境振动能量在实际应用中的可能性，他分别设计了基于静电原理的振动发电器和基于压电原理的振动发电器，实验结果表明基于压电原理的振动发电器的能量转化效率更高，在环境振动源为120Hz，加速度为2.25m/s²时可以产生的功率密度为200μw/cm³，可以完全实现为日常环境低功耗无线传感器节点供电。

然而，环境中存在的大部分振动是以多种频率形式存在的，并不是一种单一的频率，响应频带较窄是制约振动能量收集应用推广的障碍之一，宽频带振动能量收集器得到了研究。风致振动能量收集技术可以应用在森林监测传感器节点供电，在2.2节风能部分提到的文献中应用基于压电收集方式的风车结构装置来收集能量为传感器节点供电，文献中基于电磁收集方式的风车结构装置可以有效的应用在森林火灾监测无线传感器节点供电上。南京航空航天大学陈仁文等人总结了多方向宽频带压电振动能量收集的研究进展，由于风能的多方向不确定性，可以为风致压电振动能量收集方式给无线传感器供电提供参考。目前，大部分研究还没有真正投入使用，都在仿真和实验阶段，为提高系统安全性，有必要在自供电情况下对能量进行监测，尤其是感知能量匮乏情况。

3 结束语

随着无线传感器节点超低功耗的发展，微小能量为其供电将成为可能。若要实现系统自供电，可能需要多种环境能源并用，提高能量存储能力，来确保能量的充足供给，并且能量需要合理的监测和管理以确保系统稳定运行。在努力提高各种能量转化效率的同时，能量采集装置需要便携、易安装和维护。本文简要介绍了可能为实现森林监测无线传感器节点自供电的5种能量收集方式，每种收集方式都取得了较好的进展，太阳能光伏发电是当前在森林监测的无线传感器网络供电能源选择中，可靠性最高、成本最低的选择，关于生物电能量收集方式的研究较少，国内外只有少数研究团队在从事相关研究。相信在未来，环境微能量收集方面的研究可以推动无线传感器网络在诸多领域的发展，无线传感器节点在森林监测中可以完全实现自供电。

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