论文标题：Advances in Energy Harvesting for Sustainable Wireless Sensor Networks: Challenges and Opportunities

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-6640/3/1/1

期刊名：Hardware

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/hardware

在智慧城市、环境监测和远程医疗等领域，无线传感器网络是实现数据感知的“神经末梢”。然而，依赖电池供电的传统网络面临着寿命有限、维护成本高昂的瓶颈，尤其在偏远或危险环境中，更换电池几乎不可能。如何让这些网络获得“永续”的能源供给，成为物联网走向大规模部署的关键。

南非比勒陀利亚大学与中国西南科技大学的研究团队在MDPI出版社旗下期刊 Hardware 上发表了一篇前沿综述。文章系统性地探讨了能量收集无线传感器网络（EH-WSNs）的最新进展，并深入剖析了其面临的挑战与未来机遇。研究表明，通过从环境中“汲取”能量，传感器网络有望摆脱电池束缚，迈向真正的自持续、绿色化运营。

能量采集无线传感器网络的概念架构：

能量从哪里来？多元化环境能量收集技术

为传感器节点寻找可靠的能量来源是EH-WSNs的基础。该综述详细评估了多种主流环境能量收集技术的效能与适用场景：

• 太阳能收集：技术最成熟、研究最广泛的方案，特别适用于户外光照充足的场景（如环境监测、农业传感）。

• 热能收集：利用环境中的温差（如工业设备、人体体温）发电，适用于有稳定热源的特定环境。

• 动能收集：捕获环境中的振动、运动等机械能（如桥梁结构监测、穿戴设备），能量来源稳定但功率通常较低。

• 射频能量收集：采集环境中存在的无线电波（如Wi-Fi、蜂窝信号）能量，非常适合室内或信号覆盖区域，作为补充能源。

每种技术都有其独特的优势和局限性，未来的趋势在于根据部署场景，采用混合式能量收集方案，以应对环境能量间歇性和不稳定的核心挑战。

核心挑战：如何“精打细算”地管理与使用能量？

收集能量只是第一步。由于环境能量具有随机性、波动性和低功率密度的特点，如何高效地管理、存储并使用这些能量，是EH-WSNs设计的核心。

1. 智能能量管理：研究致力于开发先进的能量分配算法和动态功率管理策略。系统需要像一位“智能管家”，根据实时的能量收集情况、电池电量以及数据发送优先级，动态调整传感器节点的休眠、感知和通信策略，以实现全局能量利用的最优化。

2. 高效路由协议：传统的WSN路由协议以节能为首要目标。在EH-WSNs中，路由设计变得更加复杂，需要在能量效率、网络延迟和吞吐量之间取得新的平衡。新的协议必须能够适应节点能量状态的动态变化，避免能量匮乏的节点成为网络瓶颈。

3. 集成认知无线电技术：为了进一步提高通信效率，EH-WSNs开始与认知无线电（CR）技术结合。CR允许节点智能感知并利用空闲的频谱资源进行通信，减少干扰和重传，从而间接节约了宝贵的能量。然而，频谱感知行为本身也会消耗能量，这带来了新的优化难题。

EH-WSNs面临的主要挑战：

安全新思路：在能量受限下的物理层安全

安全性是EH-WSNs应用于关键基础设施（如电网、工业控制）时必须逾越的障碍。传统的复杂加密算法计算开销大，与EH-WSNs节点有限的算力和能量储备根本冲突。

对此，物理层安全（PLS）技术提供了一条极具前景的新路径。PLS不依赖复杂的密码运算，而是利用无线信道本身固有的随机特性（如噪声、衰落）来确保通信安全。通过波束成形、人工噪声等技术，可以在不显著增加能耗的前提下，有效防止窃听。将PLS与能量收集的动态特性相结合，设计能够根据当前可用能量水平自适应调整安全强度的机制，是当前研究的热点。

未来展望：人工智能与先进材料的融合

尽管挑战重重，但EH-WSNs的前景无比光明。文章指出，未来的突破性进展将依赖于跨学科的融合：

• 人工智能的深度集成：利用机器学习和深度学习算法，可以更精准地预测环境能量的变化，实现前所未有的智能能量管理与动态决策。

• 新材料与存储技术：开发更高效率的能量收集材料（如柔性光伏、高性能热电材料）和更高能量密度的微型存储设备（如超级电容器），将从硬件层面提升系统性能。

• 标准化与系统级协同设计：需要从通信协议、电路设计、能量管理到安全策略进行全栈式的协同优化，推动EH-WSNs从实验室走向大规模商业应用。

结论

这篇发表在 Hardware 上的综述清晰地表明，能量收集技术正在彻底改变无线传感器网络的范式。通过从环境中获取能量，并配以智能的管理、高效的路由和新颖的安全机制，构建真正可持续、免维护的感知网络已成为可能。这不仅是技术上的进步，更是迈向万物互联的绿色未来关键一步。

Hardware期刊介绍

Hardware (ISSN: 2813-6640) 是一个国际性的、经同行评审的开放获取期刊。期刊聚焦于物理硬件系统的设计、原型制作、测试和广泛应用，涵盖的领域包括但不限于：科学仪器、开源硬件、物联网设备、机器人、医疗设备以及高性能计算硬件等。本篇关于能量收集无线传感器的论文，正体现了期刊对支撑前沿应用的核心硬件技术与系统集成的关注。

Hardware期刊主编：

Prof. Dr. Peter C. Hauser

Affiliation: University of Basel, Switzerland

Interests: analytical chemistry; miniaturization; on-site and field instruments; capillary electrophoresis; flow-injection analysis; chemical sensors; open hardware