森林監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡自供電技術研究進展

李文彬，龐 帥，闞江明

(北京林業(yè)大學工學院，北京100083)

微機電系統(tǒng)、無線通信、嵌入式等技術的進步促進了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展［1］。無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測方面已得到廣泛應用，尤其是農(nóng)業(yè)和森林監(jiān)測［2］。森林不斷受到病蟲害和火災等自然災害的破壞，雖然地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感(RS)技術在森林監(jiān)測中得到了廣泛應用，但上述技術仍存在一些不足，如遙感圖像分辨率低、掃描周期長，若遇火災，圖像僅能反映火光、煙霧情況，無法獲取與火災密切相關的溫濕度、風向和風速等氣象數(shù)據(jù)［3］。應用無線傳感器網(wǎng)絡地面監(jiān)測技術，能實時準確地采集和處理各種環(huán)境條件下森林小氣候數(shù)據(jù)，動態(tài)把握森林生態(tài)信息，是未來森林監(jiān)測的發(fā)展方向［4］。2008年下半年開始，清華大學、香港科技大學、美國伊利諾伊理工學院等國內(nèi)外高校合作參與名為“綠野千傳”(GreenOrbs)的物聯(lián)網(wǎng)項目，在浙江天目山自然保護區(qū)部署1000多個森林監(jiān)測無線傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過傳感器收集包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度和風速等數(shù)據(jù)，在森林監(jiān)測、火災風險評估等領域開展研究。根據(jù)所查到的文獻，這是當時世界上第一個長期并大規(guī)模開展的實際野外森林環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡研究，2013年發(fā)表的文獻［5］記錄了對已經(jīng)部署好的330個節(jié)點進行的實驗研究，沒有提到供電問題。由于森林環(huán)境較惡劣，對系統(tǒng)經(jīng)常進行電池的更換非常麻煩，這也制約著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展。本文首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成，闡述供電問題研究的重要性，然后介紹了多種可能為森林監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡供電的方式。

1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在森林監(jiān)測中，可以監(jiān)測火災、病蟲害以及各種森林生境因子［3，6］。圖1是一種典型的自供電無線傳感器節(jié)點硬件結構圖，這種無線傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊、能量管理模塊和能量采集模塊等5部分構成［7］。若無線傳感器節(jié)點是用來監(jiān)測火災，則傳感器模塊主要完成森林監(jiān)測點諸如溫濕度、煙霧濃度等信息的采集和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的A/D轉換等功能［3］。

圖1 自供電無線傳感器節(jié)點硬件結構圖Fig．1 The hardware configuration diagram of the self-powered wireless sensor nodes

如果供電模塊設計的不好，那么即使系統(tǒng)其他模塊的設計已經(jīng)達到最好效果，也彌補不了缺失良好供電模塊的缺陷，因為一切工作控制都需要電能來維持。由于森林環(huán)境復雜，傳感器節(jié)點數(shù)目眾多，分布廣泛，電池更換非常不便，所以研究森林環(huán)境能量收集，為無線傳感器網(wǎng)絡供電是非常有意義的，可以促進無線傳感器網(wǎng)絡在森林監(jiān)測中的應用。

2 森林中的環(huán)境能量供電方法

近年來，國內(nèi)外學者對多種環(huán)境能量收集技術進行了研究，收集的能量大到可以為電力系統(tǒng)提供電能，如太陽能發(fā)電站、風能發(fā)電站等，小到可以為無線傳感器和微機電系統(tǒng)供電，針對無線傳感器網(wǎng)絡供電的能量收集研究是熱點之一［8-11］。森林環(huán)境中存在的能量有太陽能、風能、熱能、活立木生物電能、環(huán)境振動能等。降低無線傳感器網(wǎng)絡功耗，提高能量收集和利用效率可以為監(jiān)測系統(tǒng)在森林環(huán)境中實現(xiàn)自供電提供保障［12］。本文針對可能應用在森林環(huán)境中的5種能量收集技術進行簡要介紹。

2．1 太陽能

太陽能是自然界中普遍存在的一種能源，能量巨大。太陽能光伏發(fā)電技術在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中的應用非常廣泛，并已取得重大進展。臺灣國立清華大學的Chien-Ying Chen教授設計了脈沖頻率調(diào)制(PFM)調(diào)節(jié)器開關的約束控制電路實現(xiàn)太陽能最大功率點跟蹤(MPPT)，實驗結果表明，該系統(tǒng)輸出電壓約為4．2 V，可以在不改變目標設備的情況下直接為傳感器節(jié)點供電，能有效滿足節(jié)點的供電需求［13］。北京林業(yè)大學孫振佳對森林火災實時監(jiān)測系統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)進行了研究，在對節(jié)點的硬件組成和能耗狀況分析的基礎上，設計了一種太陽能光伏供電系統(tǒng)，并進行實驗，分析驗證了系統(tǒng)工作的可行性和穩(wěn)定性［14］。西北農(nóng)林科技大學張海輝等設計了一種能量自供給的無線傳感器節(jié)點，節(jié)點可以支持強太陽能和微弱太陽能的收集，選用最優(yōu)能量管理策略且具有自恢復性，提高了太陽能的利用率，延長了無線傳感器壽命［15］。南京航空航天大學劉杰設計了一種基于太陽能供電的森林環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。從森林的特定環(huán)境以及最大限度提高太陽能轉換效率和降低節(jié)點功耗出發(fā)，設計了一種混合儲能系統(tǒng)為傳感器節(jié)點供電［16］。太原理工大學的趙清華［17］和北京理工大學的李艷秋［18］也分別制作了太陽能供電的無線傳感器節(jié)點。國外已出現(xiàn)實際使用的水下太陽能供電無線傳感器環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了近、遠程無線通信的水下照度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［19］。

由于森林環(huán)境復雜，太陽能的實際使用情況并不一定理想。很多研究即使是針對森林監(jiān)測的無線傳感器太陽能供電問題，也沒有真正實現(xiàn)在森林環(huán)境下驗證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，而是在模擬實驗的情況下進行系統(tǒng)驗證，例如文獻 ［17］中，由于條件所限，并沒有對森林這一具體環(huán)境的溫度、濕度等做長時間的采集與處理，在實驗室條件下，選用北京泊菲萊科技有限公司推出的300 w氙燈光源系統(tǒng)SOLAREDGE700作為模擬光源來進行系統(tǒng)性能分析實驗。完全依靠太陽能來為森林監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡供電的穩(wěn)定性還有待驗證，太陽能電池有很多種，但是所有種類的缺陷都是能量轉化效率不高［20］，需要進一步提高能量轉化率［21］，而且系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性需要在森林環(huán)境中進行實驗驗證，尤其是應用在火災監(jiān)測這種極為重要的監(jiān)測情況。森林在夜晚黑暗環(huán)境下幾乎沒有光，白天應盡可能多的收集和存儲太陽能供夜晚使用。微光條件下的太陽能采集是一個方向，如文獻 ［22］中，設計了一種微光條件下的能量采集電源管理系統(tǒng)，在光強為200 lx，輸入功率低至45 μw的條件下，成功驅(qū)動瞬時最大功率為85 mw的無線傳感器節(jié)點工作。太陽能收集用于森林監(jiān)測傳感器節(jié)點供電的困難除了森林光照情況外，還有濕度、灰塵的累積效應以及動植物的無規(guī)律影響，使得系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性受到制約，節(jié)點放置時需要盡量考慮這些因素，讓系統(tǒng)工作更加安全和穩(wěn)定。

2．2 風 能

對于風能的采集，研究者們也進行了許多研究。針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的風能采集，風力發(fā)電機需要采用微小型扇葉，由于微小型風機所采集能量有限，所以后續(xù)匹配儲能電路需要做低功耗設計。新加坡國立大學的研究者介紹了一種超低功耗能量管理電路的優(yōu)化風力換能系統(tǒng)，此能量管理電路的優(yōu)點是在1．2 V輸入電壓情況下，在風速為3．62 m/s時可轉換得到7．86 mw能量，為常規(guī)系統(tǒng)的四倍［23］，并且該團隊設計了一套基于該風能換能器的野外火災監(jiān)測無線傳感器系統(tǒng)，通過監(jiān)測風能換能器的輸出電壓和電流可以間接得到風速，具體自供電節(jié)點如圖2所示［24］。美國有學者提出壓電風車為無線傳感器節(jié)點供電的方法，設計的結構在6Hz與風流共振的情況下，可以產(chǎn)生10．2 mw功率的能量，壓電風車制造原型如圖3所示［25］。還有眾多其他學者研究了多種應用于無線傳感器節(jié)點的風力換能器［26-28］。韓國有學者在森林火災監(jiān)測中，應用優(yōu)化過的風車結構的電磁換能器，有效地獲取環(huán)境中的氣流，實現(xiàn)系統(tǒng)火災報警無線傳感器節(jié)點的自供電，換能器可以產(chǎn)生的峰值電壓為5．2 V，在負載為150時峰值功率為60 mw，當風速為3 m/s時，平均輸出功率是3 mw［29］。國內(nèi)南京航空航天大學的吳寅指出手持式電子系統(tǒng)的小型風力發(fā)電機尚未深入研究，將小型的風力發(fā)電機應用在森林火災監(jiān)測中，給監(jiān)測節(jié)點供電是合適的，而且他從節(jié)點級別的能量管理角度設計了基于DC-DC變換器的最優(yōu)化能量管理算法，確保自供電節(jié)點工作在最大風能采集并且最低功耗狀態(tài)，實驗結果表明風速在3．5 m/s時，該節(jié)點可以實現(xiàn)完全的“永久性”工作，達到野外實際部署的要求［30-31］。

風能的采集受風速制約，如同太陽能采集受光照條件制約一樣。森林環(huán)境的風速情況復雜多變，在風速較低的情況下，風能采集難以發(fā)揮良好作用。與其他能量采集供電方式相同的一個趨勢是節(jié)能控制［32］，包括節(jié)點能量管理算法優(yōu)化。

圖2 風能無線節(jié)點圖［24］Fig．2 Sensor node powered by wind energy［24］

圖3 壓電風車原型圖［25］Fig．3 Piezoelectric windmill［25］

2．3 熱能

熱能發(fā)電是根據(jù)環(huán)境溫差來發(fā)電的，熱能能量轉化效率η遵循卡諾效率:

式中:Th和Tc分別代表熱端和冷端的溫度絕對值。溫差越大，能量轉化效率才會越高。

近年來，地熱能開發(fā)在世界范圍蓬勃發(fā)展，一些地熱開發(fā)項目在火山活動地區(qū)使用常規(guī)水熱資源，另一些則選擇在非火山活動區(qū)采用增強地熱系統(tǒng)(EGS)技術開發(fā)干熱巖地熱能，這些都是地熱電站級別的熱能開發(fā)［33］。另外，有研究人員采用半導體溫差發(fā)電技術進行瀝青路面集熱研究［34］、面向森林監(jiān)測的土壤溫差發(fā)電研究［35］。針對森林監(jiān)測的無線傳感器供電問題，北京林業(yè)大學張哲等［36］在測試分析淺層土壤和空氣的溫度變化規(guī)律的基礎上，利用半導體溫差發(fā)電技術，將太陽輻射、空氣和淺層土壤熱能轉換為電能。

目前國內(nèi)普遍采用的熱能收集方式是利用半導體溫差發(fā)電技術，熱電能量收集裝置在研究初期成本相對較高，并且發(fā)電效率低，晚上直接利用土壤和空氣、土壤不同深度之間的溫差發(fā)電難以實現(xiàn)，實現(xiàn)森林晝夜都能收集土壤溫差能，還有待進一步研究。熱能研究的主要方向是熱電發(fā)電材料的性能提升、發(fā)電結構優(yōu)化和相關發(fā)電性能參數(shù)的優(yōu)化，并結合太陽能的集熱技術，充分利用太陽能的熱量和冷卻系統(tǒng)的溫差來收集能量［37-39］。因為溫差發(fā)電目前產(chǎn)生能量較低，以其他能量級別稍大的能源為主，比如太陽能，以溫差發(fā)電為輔，為無線傳感器節(jié)點供電，文獻 ［40］就是以太陽能光伏電池背面粘貼的溫差發(fā)電片作為輔助能源為無線傳感器節(jié)點供電。針對森林監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡供電的熱電器件還沒有完全實現(xiàn)，目前半導體溫差發(fā)電器件略顯笨重，在安裝和施工方面可以進一步改進，選用更優(yōu)的熱電器件，往便攜式方向設計系統(tǒng)，便于安裝和維護。

2．4 活立木生物電能

相比太陽能、風能等能量收集研究，活立木生物電的研究在國內(nèi)外還比較少，屬于比較新的研究領域。對于活立木生物電產(chǎn)生機理，國內(nèi)外還沒有定論。匈牙利學者1997年開始持續(xù)測數(shù)據(jù)，在2002年的文獻［41］中，發(fā)現(xiàn)電勢差與空氣水勢，以及樹液通量密度有顯著的相關關系，結果表明樹干與地之間存在的電勢差跟隨液流密度的變化而變化，然而電勢差的變化要滯后于液流通量指數(shù)的變化1～2 h，他們認為活立木的蒸騰作用和根壓引起樹液的流動是電勢差形成的最主要因素。法國有學者從2003年12月開始測數(shù)據(jù)，在2006年發(fā)表的文獻［42］中，總結電勢差是活立木對液流、光合作用、適應環(huán)境反饋控制的物理、化學、生化反應的綜合體現(xiàn)，暫時還不能給出詳細的模型來解釋這個電勢差，他們提出了與液流動電機理不同的一種基于電荷從導電液流溝道向電阻木質(zhì)部墻擴散的活立木生物電產(chǎn)生機理。Christopher J．Love等人在排除可能的外部來源(例如射頻噪聲、地電流和不同金屬間的氧化還原反應等)的前提下，測量了盆栽的垂葉榕樹的木質(zhì)部與其生長的各種酸堿度土壤之間的電勢差，通過實驗結果得出，活立木木質(zhì)部和土壤之間的pH值的變化是引起其內(nèi)部與生長環(huán)境周圍的土壤之間電勢差的主要原因［43］。

針對森林監(jiān)測中的無線傳感器節(jié)點供電問題，Voltree Power公司設計、測試了樹電環(huán)境檢測儀系統(tǒng)，并成功應用于愛達華州的博伊西國家森林的火災監(jiān)測中［44］。北京林業(yè)大學李小婉從利用森林環(huán)境中的活立木生物電能與太陽能角度出發(fā)，通過對活立木生物電能產(chǎn)生機理分析，探討了活立木生物電能的特點，設計了活立木生物電能與太陽能的收集系統(tǒng)，模擬了森林環(huán)境，進行系統(tǒng)電路性能的測試，試驗表明所設計的電路基本滿足低功耗無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)哪芰啃枨螅?5］。北京林業(yè)大學郝志斌、尹鳳媛等也探討了活立木生物電能為無線傳感器節(jié)點供電的問題，分析了環(huán)境因子，例如環(huán)境溫度、土壤濕度和pH等對活立木生物電的影響［46-48］。

關于活立木生物電能的產(chǎn)生機理還在進一步研究中，國內(nèi)相關的研究較少，總體來說這一領域的研究還不廣泛。在后續(xù)的研究中，在探索活立木生物電能產(chǎn)生機理的同時，需要進一步提高收集活立木生物電的能力，優(yōu)化現(xiàn)有電路，為實際應用在森林監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點供電提供保障。

2．5 環(huán)境振動能量

環(huán)境振動能量收集也是近年來研究熱點，在森林環(huán)境中，風能收集和振動能量收集是相輔相成的。振動能轉換為電能的方式主要有電磁、靜電和壓電這三種。對于電磁發(fā)電方式，磁體相對線圈運動，線圈中產(chǎn)生感應電流，類似于發(fā)電機;對于靜電方式，通過改變電容極板間距從電容中抽取電荷，使用這種方式，收集器還需要用于提供電荷的電壓源;對于壓電材料方式，材料的機械應變產(chǎn)生電荷，振動載荷引起交變電壓。無論是哪種發(fā)電形式，振動能量收集系統(tǒng)的基本原理都如圖4所示，包括振動發(fā)電、電能轉換、電能存儲和負載應用等4部分。以壓電振動發(fā)電為例，振動發(fā)電部分就是基于壓電材料的機械結構，由于壓電效應產(chǎn)生的電能是交流電，所以需要電能轉換模塊將交流電轉化為直流電，電能經(jīng)過存儲模塊才可以更好的為負載應用供電，針對無線傳感器網(wǎng)絡，負載應用就是為傳感器節(jié)點供電。針對為無線傳感器節(jié)點供電問題，國內(nèi)外學者對環(huán)境振動能量進行了廣泛的研究。美國學者探討了環(huán)境振動能量在實際應用中的可能性，他分別設計了基于靜電原理的振動發(fā)電器和基于壓電原理的振動發(fā)電器，實驗結果表明基于壓電原理的振動發(fā)電器的能量轉化效率更高，在環(huán)境振動源為120 Hz，加速度為2．25 m/s2時可以產(chǎn)生的功率密度為200 μw/cm3，可以完全實現(xiàn)為日常環(huán)境低功耗無線傳感器節(jié)點供電［49-50］。

圖4 振動能量收集系統(tǒng)原理圖Fig．4 Schematic diagram of vibration energy harvesting

然而，環(huán)境中存在的大部分振動是以多種頻率形式存在的，并不是一種單一的頻率［22］，響應頻帶較窄是制約振動能量收集應用推廣的障礙之一，寬頻帶振動能量收集器得到了研究［51］。風致振動能量收集技術可以應用在森林監(jiān)測傳感器節(jié)點供電，在2．2節(jié)風能部分提到的文獻［25］中應用基于壓電收集方式的風車結構裝置來收集能量為傳感器節(jié)點供電，文獻［29］中基于電磁收集方式的風車結構裝置可以有效的應用在森林火災監(jiān)測無線傳感器節(jié)點供電上。南京航空航天大學陳仁文等人總結了多方向?qū)掝l帶壓電振動能量收集的研究進展［52］，由于風能的多方向不確定性，可以為風致壓電振動能量收集方式給無線傳感器供電提供參考。目前，大部分研究還沒有真正投入使用，都在仿真和實驗階段，為提高系統(tǒng)安全性，有必要在自供電情況下對能量進行監(jiān)測，尤其是感知能量匱乏情況［53］。

3 結束語

隨著無線傳感器節(jié)點超低功耗的發(fā)展，微小能量為其供電將成為可能。若要實現(xiàn)系統(tǒng)自供電，可能需要多種環(huán)境能源并用，提高能量存儲能力，來確保能量的充足供給，并且能量需要合理的監(jiān)測和管理以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在努力提高各種能量轉化效率的同時，能量采集裝置需要便攜、易安裝和維護。本文簡要介紹了可能為實現(xiàn)森林監(jiān)測無線傳感器節(jié)點自供電的5種能量收集方式，每種收集方式都取得了較好的進展，太陽能光伏發(fā)電是當前在森林監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡供電能源選擇中，可靠性最高、成本最低的選擇，關于生物電能量收集方式的研究較少，國內(nèi)外只有少數(shù)研究團隊在從事相關研究。相信在未來，環(huán)境微能量收集方面的研究可以推動無線傳感器網(wǎng)絡在諸多領域的發(fā)展，無線傳感器節(jié)點在森林監(jiān)測中可以完全實現(xiàn)自供電。

［1］ Othman M F，Shazali K．Wireless sensor network applications:a study in environment monitoring system［J］．Procedia Engineering，2012，41:1204-1210．

［2］徐 磊，李 濱．基于ZigBee的無線農(nóng)田溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］．森林工程，2013，29(3):79-82．

［3］田仲富，王述洋，黃英來．基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監(jiān)測系統(tǒng)［J］．智能系統(tǒng)學報，2014，9(6):209-215．

［4］劉勁風，王 ?。疅o線傳感器網(wǎng)絡在森林監(jiān)測中的應用［J］．林業(yè)科技，2010，35(4):18-20．

［5］ Liu Y，He Y，Li M，et al．Does wireless sensor network scale?A measurement study on GreenOrbs［J］．IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2013，24(10):1983-1993．

［6］李 丹，孫利新，戴 巍，等．森林生境因子無線傳感器網(wǎng)絡采集系統(tǒng)［J］．哈爾濱工業(yè)大學學報，2014，46(7):123-128．

［7］ Kawahara Y，Lakafosis V，Sawakami Y，et al．Design issues for energy harvesting enabled wireless sensing systems［A］．Proceedings of 2009 Asia Pacific Microwave Conference［C］，2009:2248-2251．

［8］ Aslan Y E，Korpeoglu I，Ulusoy ?．A framework for use of wireless sensor networks in forest fire detection and monitoring［J］．Computers，Environment and Urban Systems，2012，36(6):614-625．

［9］朱俊杰，李美成．無線傳感器微能源自供電技術的研究［J］．可再生能源，2012，30(11):55-60．

［10］ Qian H，Sun P，Rong Y．Design proposal of self-powered WSN node for battle field surveillance［J］．Energy Procedia，2012，16:753-757．

［11］ Eu Z A，Tan H P，Seah W K G．Opportunistic routing in wireless sensor networks powered by ambient energy harvesting［J］．Computer Networks，2010，54(17):2943-2966．

［12］ Rault T，Bouabdallah A，Challal Y．Energy efficiency in wireless sensor networks:A top-down survey［J］．Computer Networks，2014，67:104-122．

［13］ Chen C Y，Chou P H．DuraCap:a supercapacitor-based，powerbootstrapping，maximum power point tracking energy-harvesting system［A］．Proceedings of the 16th ACM/IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design:ACM［C］，2010:313-318．

［14］孫振佳．森林火災實時監(jiān)測系統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)研究［D］．北京:北京林業(yè)大學，2011．

［15］西北農(nóng)林科技大學．能量自供給的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點:中國，CN103139936A［P］2013-06-05．

［16］劉 杰．基于太陽能供電的森林環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)設計［D］．南京:南京航空航天大學，2013．

［17］趙清華．無線傳感器節(jié)點能量管理系統(tǒng)的研究［D］．太原:太原理工大學，2010．

［18］ Yongtai H，Lihui L，Yanqiu L．Design of solar photovoltaic micropower supply for application of wireless sensor nodes in complex il-lumination environments［J］．IET Wireless Sensor Systems，2012，2(1):16-21．

［19］ Alippi C，Camplani R，Galperti C，et al．A robust，adaptive，solarpowered WSN framework for aquatic environmental monitoring［J］．Sensors Journal，2011，11(1):45-55．

［20］ Kausar A S M Z，Reza A W，Saleh M U，et al．Energizing wireless sensor networks by energy harvesting systems:Scopes，challenges and approaches［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，38:973-989．

［21］ Horng G J，Chang T Y，Cheng S T．An effective node-selection scheme for the energy efficiency of solar-powered WSNs in a stream environment［J］．Expert Systems with Applications，2014，41(7):3143-3156．

［22］余 華，劉鵬宇．無線傳感器節(jié)點的微光能量采集電源管理電路［J］．太陽能學報，2014，35(2):253-257．

［23］ Tan Y K，Panda S K．Optimized wind energy harvesting system using resistance emulator and active rectifier for wireless sensor nodes［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(1):38-50．

［24］ Tan Y K，Panda S K．Self-autonomous wireless sensor nodes with wind energy harvesting for remote sensing of wind-driven wildfire spread［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60(4):1367-1377．

［25］ Priya S，Chen C T，F(xiàn)ye D，et al．Piezoelectric windmill:a novel solution to remote sensing［J］．Japanese Journal of Applied Physics，2005，44(1L):L104．

［26］ Sardini E，Serpelloni M．Passive and self-powered autonomous sensors for remote measurements［J］．Sensors，2009，9(2):943-960．

［27］ Flammini A，Marioli D，Sardini E，et al．An autonomous sensor with energy harvesting capability for airflow speed measurements［A］．2010 IEEE Conference:Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC)［C］，2010:892-897．

［28］ Sardini E，Serpelloni M．Self-powered wireless sensor for air temperature and velocity measurements with energy harvesting capability［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60(5):1838-1844．

［29］ Wu X，Lee D W．An electromagnetic energy harvesting device based on high efficiency windmill structure for wireless forest fire monitoring application［J］．Sensors and Actuators A:Physical，2014，219:73-79．

［30］ Wu Y，Liu W．Efficient power management for wireless sensor node with wind energy harvesting［J］．International Journal of Sensor Networks，2012，12(4):223-231．

［31］吳 寅．采用環(huán)境能量的自供電無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術研究［D］．南京:南京航空航天大學，2013．

［32］張 松．基于風能收集的無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)能控制和數(shù)據(jù)保護的研究［D］．杭州:杭州電子科技大學，2012．

［33］羅蘭德洪恩，李克文．世界地熱能發(fā)電新進展［J］．科技導報，2012，30(32):60-66．

［34］胡普才，朱順敏，汪 岸，等．瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)設計分析與試驗研究［J］．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2014，38(4):834-838．

［35］陳明闊．面向森林監(jiān)測的熱電能量收集技術研究［D］．北京:北京林業(yè)大學，2014．

［36］ Zhang Z，Li W，Kang J．Behavior of a thermoelectric power generation device based on solar irradiation and the earth's surface-air temperature difference［J］．Energy Conversion and Management，2015，97:178-187．

［37］葉曉軍，周海峰，王榮杰，等．熱電發(fā)電技術的研究進展［J］．應用能源技術，2014(8):33-37．

［38］朱冬生，吳紅霞，漆小玲，等．太陽能溫差發(fā)電技術的研究進展［J］．電源技術，2012，36(3):431-434．

［39］ Kausar A S M Z，Reza A W，Saleh M U，et al．Energizing wireless sensor networks by energy harvesting systems:Scopes，challenges and approaches［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，38:973-989．

［40］蘇 波，李艷秋，于紅云，等．從環(huán)境中獲取能量的無線傳感器節(jié)點［J］．傳感器學報，2008，21(9):1586-1589．

［41］ Koppán A，F(xiàn)enyvesi A，Szarka L，et al．Measurement of electric potential difference on trees［J］．Acta Biologica Szegediensis，2002，46(3-4):37-38．

［42］ Gibert D，Le Mou?l J L，Lambs L，et al．Sap flow and daily electric potential variations in a tree trunk［J］．Plant Science，2006，171(5):572-584．

［43］ Christopher J L，Zhang S G，Andress M．Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted ficus benjamina tree and its soil［J］．Plos one，2008，3(8):e2963．

［44］ 張唯誠．植物，未來發(fā)電廠［J］．科學與文化，2012(7):28-29．

［45］ Li X，Gao L，Li W，et al．Exploration on trans-root potential of living trees［J］．Journal of Information ＆ Computational Science，2013，10(18):6131-6138．

［46］ Hao Z，Li W，Kan J，et al．Bioelectricity in standing trees-A potential energy for wireless sensor networks［J］．TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering，2013，11(8):4841-4846．

［47］徐 慶，闞江明，郝志斌．活立木生物電及其環(huán)境因子遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］．森林工程，2014，30(4):98-102．

［48］ Yin F，Li W．Research on characteristics and harvesting circuit of standing tree bioelectricity［J］．Journal of Information and Computational Science，2015，12(6):2325-2334．

［49］ Roundy S，Wright P K，Rabaey J．A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes［J］．Computer Communications，2003，26(11):1131-1144．

［50］ Roundy S，Wright P K．A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics［J］．Smart Materials and Structures，2004，13(5):1131．

［51］ Kasyap A．Energy harvesting powered wireless sensor node and asset tracking solutions in random vibration environments［R］．Hampton:Adaptive Energy，White Paper，2009．

［52］陳仁文，仁 龍，夏樺康，等．多方向?qū)掝l帶壓電式振動能量采集器研究進展［J］．儀器儀表學報，2014，35(12):2641-2652．

［53］ Severini M，Squartini S，Piazza F，et al．Energy-aware task scheduler for self-powered sensor nodes:From model to firmware［J］．Ad Hoc Networks，2015，24:73-91．