當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預(yù)測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器由于其無限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產(chǎn)生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當然，從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度而言這將導致復(fù)雜程度的進一步增加，因為他們現(xiàn)在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環(huán)境能量源的情況下提供補償，應(yīng)在輔助儲存器中存儲多少能量?”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：

　　1. 缺乏環(huán)境能量源的時間長度
　　2. WSN 的占空比 (即數(shù)據(jù)讀取和傳輸操作必須具備的頻率)
　　3. 輔助儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的大小和類型
　　4. 是否可提供既能充當主能量源、同時又擁有充分剩余能量 (用于當其在某些特定時段內(nèi)不可用時為輔助電能儲存器充電) 的足夠環(huán)境能量?

　　最先進和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù) (例如振動能量收集和室內(nèi)光伏技術(shù)) 在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。

　　正如已經(jīng)討論的那樣，環(huán)境能源包括光、溫差、振動波束、已發(fā)送的 RF 信號，或者其他任何能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。下面的表 2 說明了從不同能源可產(chǎn)生多少能量。

　　表 2：能源以及它們可產(chǎn)生多少能量 

　　要成功設(shè)計一款完全獨立的無線傳感器系統(tǒng)，需要現(xiàn)成的節(jié)電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來自低能量環(huán)境的電能。幸運的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年左右了，不過只是在最近，超低功率收發(fā)器才投入商用。然而，在這一系列環(huán)節(jié)中，處于落后的一直是能量收集器?，F(xiàn)有的能量收集器模塊實現(xiàn)方案 (如圖 1 所示) 往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括 30 個或更多的組件。此類設(shè)計轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流高。這兩個不足之處均導致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時間間隔。高靜態(tài)電流則對能量收集源的輸出能達到的最低值有所限制，因為它必須首先提供自己工作所需的電流，多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個領(lǐng)域，凌力爾特公司最近推出的產(chǎn)品 LTC3109、LTC3588-1 和 LTC3105 使性能和簡單性上提升到一個新水平。這些能量收集 IC 所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實現(xiàn)的。因此，它們由于能夠收集非常低的環(huán)境能量而成為了推動能量收集系統(tǒng)制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發(fā)器經(jīng)濟合算的價位，使其市場接受度得以提升。這也是此類系統(tǒng)在全球范圍的眾多應(yīng)用中受到大量關(guān)注的原因之一。

　　一個現(xiàn)實世界的例子：“飛機健康狀況監(jiān)視”

　　今天，大型機群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個現(xiàn)實問題，因為如果忽視該問題，就可能導致災(zāi)難性后果。目前，飛機結(jié)構(gòu)狀況是通過多種檢查方法來監(jiān)視的，如通過改進的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法，通過采用評估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念 … 等等。這些方法有時又統(tǒng)稱為“飛機健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機健康狀況監(jiān)視過程中，采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法以實時進行連續(xù)的健康狀況評估。

　　聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機結(jié)構(gòu)的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即采取維修行動。這種檢測方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。

　　因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結(jié)構(gòu)分析，不過為這些傳感器供電可能很復(fù)雜。因此，如果以無線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機環(huán)境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/或壓電能收集。

　　在典型的飛機發(fā)動機情況下，其溫度可能在幾百 ºC 到 1,000ºC 甚至 2,000ºC的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機械能 (燃燒和發(fā)動機推力) 的形式損失了，但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學現(xiàn)象，那么要考慮的主要方程是：

　　P = ηQ

　　其中 P 是電功率，Q 是熱量，η 是效率。

　　較大的熱電發(fā)生器 (TEG) 使用更多熱量 (Q)，產(chǎn)生更多功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率，因為它們可以獲取兩倍的熱量。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻的增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而有所不同，有時使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。

　　通過給一個組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過來又產(chǎn)生一個電位。壓電效應(yīng)是可逆的，展現(xiàn)正壓電效應(yīng) (當加上壓力時，產(chǎn)生一個電位) 的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng) (當加上一個電場時，產(chǎn)生壓力和/或應(yīng)力)。

　　為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設(shè)計一款壓電元件，以機械的方式將其調(diào)諧至特定的振動頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動將觸發(fā)正壓電效應(yīng)，從而導致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對較少，那么有必要對這個 AC 信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。