무선 센서 번역(한국어 원본)최근 유비쿼터스 무선 센서네트워크(USN) 분야가 발달하면서 ‘Smart environments’를 실현하기 위해서 수많은 센서들이 거리, 집, 건물, 자동차 등 곳곳에 설치되고 있다. 수 미터 단위의 통신거리를 기반으로 하는 스마트홈 시스템부터 수십 미터 단위의 통신거리를 기반으로 하는 구조물 안전 모니터링(Structure Health Monitoring) 시스템까지 수십에서 수백 개의 무선 센서들이 설치되어 정보를 수집하여 송신하고 있다[1]. 이런 무선 센서노드들의 전력공급을 위해서는 교류 220 V를 전력선에서 무선 센서노드 구동에 필요한 수 V의 직류전압으로 변환하는 SMPS와 같은 부가적인 장치들이 필요하다. 대부분의 무선 센서노드들은 전원장치로서 배터리를 사용하고 있는데 수많은 무선 센서노드들의 배터리를 일정 주기마다 교체한다는 것은 비실용적이다. 그래서 배터리 없이 태양에너지, 풍력에너지와 같은 환경에너지 하베스팅을 이용하여 자기유지가 가능한 무선 센서노드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[2]. 하지만 환경에너지는 시간에 따라 수집 가능한 에너지량이 일정하지 않다는 한계점이 있다[3]. 또한 전력선의 자계에너지 하베스팅을 이용하여 센서노드의 전원으로 사용하기도 하는데 이럴 경우에는 그 전력선에 반드시 전류가 흘러야 한다는 문제점이 있다[4].
정전계(Electrostatics)의 이론에 따르면 전압이 걸려있는 도체에서는 전계(Electric Field)가 방출되는데, 교류일 경우는 시간에 따른 전기장의 변화량이 생기고 맥스웰의 법칙에 의해 가 성립한다. 여기서 는 변위전류(Displacement Current), 는 유전율, 는 전속밀도인데 변위전류에 의해서 전력선 주변의 표유용량에 전압이 충전되어 에너지가 저장되게 된다. 이 에너지는 교류전력선 주위의 표유(Stray)전계에 의해서 수집될 수 있기 때문에 전계에너지 하베스팅이라고 불린다[2]. 전계에너지 하베스팅은 자계 에너지 하베스팅과는 달리 전류가 흐르지 않는 교류 전력선으로부터도 에너지를 수집 할 수 있는 기술이다. R.Moghe 등은 절연되지 않은 나선(Bear Wire)에 전선으로 연결된 금속박판을 연결하여 전계에너지를 하베스팅 했는데, 이를 절연피복된 전력선에 적용하기 위해서는 피복을 벗겨야 하는 문제점이 있다. 본 논문에서는 절연피복된 교류전력선에 알루미늄 포일을 감는 방법을 이용하여 피복을 벗기지 않고도 전계에너지를 하베스팅 하는 방법을 제안하였고, 이를 이용하여 저전력 무선 센서노드의 구동이 가능함을 실험적으로 확인하였다.
그림 1은 220 V 콘센트에 연결되어 있는 절연피복된 무부하 교류전력선에 20 cm 길이의 알루미늄 포일을 감는 방법으로 수집된 에너지를 오실로스코프로 측정하는 실험 장면이다. 본 실험장치(Experimental Setup)를 등가회로로 표현하면 그림 2와 같다. 절연피복된 교류전력선에 원통형 모양으로 알루미늄 포일을 감게 되면 활선과 포일 사이에(C1), 그리고 포일과 접지선 사이에(C2) 표유용량(Stray Capacitance)이 발생하며 20 cm 길이로 포일을 감았을 경우에는 C1, C2 모두 약 40 pF으로 측정되었다. 실험에 사용된 전력선의 직경은 7 mm, 피복의 두께는 약 2 mm, 그리고 내부 도선의 직경은 1.5 mm 이다.
교류전력선에 전압이 인가되면 C1, C2 커패시터에 의해 전압이 분배되고 C1과 다이오드를 거쳐서 저장 커패시터에 충전되는 전류성분이 존재한다. 이 때 발생하는 전류는 매우 적은 양이기 때문에 충전 효율을 높이기 위해서 역방향 누설 전류가 매우 적은 다이오드를 사용하였다[5].
그림 3은 알루미늄 포일의 길이를 20 cm 로 고정시키고 저장 커패시터의 용량을 변화시켰을 때의 실험결과를 나타낸 그래프이다. 에너지를 수집하는 동안 전력선의 접지선과 하베스팅 회로의 접지가 연결되어 있는 경우(Direct Ground, DG)는 저장 커패시터의 용량에 상관없이 약 1600 nA 내외의 전류를 수집할 수 있었지만, 하베스팅 회로의 접지가 없는 경우(No Gound, NG)는 70~80 nA 정도로 훨씬 적은 양의 전류가 수집되었다. 그 이유는 회로가 접지 되어있지 않으면 회로의 전압을 정의할 수 없어 정류가 제대로 되지 않기 때문이다. 그런데 DG 회로 구현을 위해서 교류 전력선으로부터 접지선을 따로 빼내어 하베스팅 회로의 접지와 연결하는 것은 비현실적이기 때문에 다른 방법을 이용하여 이 문제를 해결하였다. |
무선 센서 번역(영어 번역본)As ubiquitous wireless sensor network (USN) has evolved recently, numerous sensors are being installed in the streets, houses, buildings, automobiles, etc. to implement a “smart environment”. From smart home system with several meters of communication range to structural health monitoring system with several tens of meters of communication range, various systems are employing tens or hundreds of wireless sensors to collect and transmit information [1]. For powering the wireless sensor nodes, additional equipments such as SMPS are required that convert 220V of AC from power line to the several volts of DC necessary for wireless sensor node operation. Currently, most wireless sensor nodes are using battery as their power source. However, periodically replacing batteries of numerous wireless sensor nodes is impractical. To solve this problem, research on self-sustainable wireless sensor node using harvest of environmental energy such as solar and wind energy is active in progress [2]. However, environmental energy is limited in that amount of energy collected is not constant over time [3]. Harvesting of magnetic energy of power line may also be used to power sensor node. Problem in this case is that current must be flowing through the power line [4].
According to theory of electrostatics, conductor with applied voltage emits electric field. If the voltage is AC, change in electric field occurs over time, and holds according to Maxwell’s equation. Here, is the displacement current, is the dielectric constant, and is the electric flux density. Voltage of the stray capacity around the power line is charged due to displacement current, and energy is stored as a result. Because the energy can be collected by the stray electric field around the AC power line, it is referred to as electric field energy harvesting [2]. Unlike magnetic energy harvesting, electric field energy harvesting can collect energy from a AC power line in which current does not flow. Moghe et al. harvested electric field energy by connecting a metal foil through a electric wire to an uninsulated bear wire. This method cannot be applied to insulated power line as the insulator coating must be removed. In this paper, aluminum foil was wrapped around an insulated AC power line to harvest electric field energy without removing the coating. The method was experimentally confirmed to successfully operate low-power wireless sensor nodes.
Fig. 1 shows an oscilloscope measuring the energy collected by wrapping 20cm aluminum foil around an insulated no-load AC power line connected to 220V power. Equivalent circuit for the experimental setup is as in Fig. 2. If aluminum foil is wrapped around the insulated AC power line in a cylinder-shape, stray capacitance is generated between the live wire and the foil (C1), and between the foil and the ground line (C2). When 20 cm foil was used, both C1 and C2 were measured as about 40 pF. Diameter of the power line was 7mm, width of the coating was about 2 mm, and diameter of the inner conducting wire was 1.5 mm.
When voltage is applied to the AC power line, voltage is distributed by C1 and C2 capacitors, and current component is stored in the reservoir capacitor after passing through C1 and diode. Because the current generated is very small, diode with extremely small reverse-current leakage was used to increase the charging efficiency [5].
Fig. 3 shows the experimental result when the length of the aluminum foil was fixed at 20 cm and the capacity of the reservoir capacitor was varied. About 1600 nA of current was collected regardless of reservoir capacitor capacity when the power line and the harvesting circuit were grounded together during energy harvest (direct ground, DG), and about 70~80 nA of current was collected when the harvesting circuit was not grounded (no ground, NG). The difference in the current collected was because circuit voltage cannot be defined when the circuit is grounded, and rectification cannot be performed. However, extracting ground line from AC power line and connecting it to the ground of the harvesting circuit is impractical, and other methods were explored to solve this problem. |
