利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點供電新方案

摘要 采用無線傳感器節(jié)點的環(huán)境電磁波能量獲取關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種可行的供電方案。通過對所處環(huán)境的頻譜能量分析和采用合適的天線及轉(zhuǎn)換電路，收集到足夠能量驅(qū)動節(jié)點工作。同時設(shè)計了帶有喚醒機制的低功耗電源管理電路，以適應(yīng)節(jié)點在環(huán)境電磁波能量較少地區(qū)的工作。通過獲取能量穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點的性能相關(guān)測試和分析，驗證了方案的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞 環(huán)境電磁波；無線傳感器節(jié)點；能源獲??；電源管理

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它綜合了通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理。
    傳感器節(jié)點一般工作在無人值守的狀態(tài)，利用電池供電，即使工作在低功耗模式下，節(jié)點的使用壽命也非常有限，如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期是該領(lǐng)域的重點關(guān)注問題。收集環(huán)境能源作為電池的補充甚至替代電池可以有效地延長節(jié)點的使用壽命，成為研究熱點之一。常用的環(huán)境能源有太陽能、振動能、風(fēng)能、溫差熱能等，但這些能源往往各有優(yōu)缺點，有的受到氣候條件限制而無法持續(xù)穩(wěn)定地供能。
    本文研究了一種環(huán)境電波能源獲取技術(shù)，提出了收集環(huán)境中雜散電磁波對無線傳感器節(jié)點進行供電的一種新方案?？臻g環(huán)境中廣播電視塔、無線通訊設(shè)備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環(huán)境電磁波能源有較好的空間分布性和穩(wěn)定來源，特別是廣播電視塔、移動基站等，輻射功率較大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto嘗試收集電視信號能量給WSN供電，在距東京電視塔4 km處收集到15～20μW的能量，并在為期7天的測試中證明了電視信號能量的穩(wěn)定性。D．Bouchouicha測試了城市環(huán)境中0．68～3．6 GHz之間的頻譜圖，并利用螺旋天線在一個WiFi基站附近收集到200 mV的輸出電壓。雖然大功率發(fā)射源擴展了環(huán)境電磁波供電的傳感器節(jié)點的工作范圍，但在環(huán)境電磁波較弱的區(qū)域如何有效收集能量，并把微弱能量轉(zhuǎn)換升壓以保障節(jié)點正常工作成為應(yīng)用的一大難點。
    本文研究利用環(huán)境AM電波為無線傳感器節(jié)點工作方案的可行性，設(shè)計了相應(yīng)的電源管理電路，使節(jié)點在環(huán)境電磁波較少的區(qū)域也能保持工作。此外對電磁波能源的穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點的性能進行了相關(guān)測試和分析。

1 環(huán)境電磁波能量收集方案
1．1 環(huán)境電磁波頻譜能量測量分析
    環(huán)境中充滿各種頻段的電磁波，如數(shù)百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數(shù)百MHz的TV信號，約900 MHz和1 800 MHz的GSM信號，2．4 GHz的ISM信號等，能量收集的第一步就是分析測量空間電磁波的分布情況，選擇其中空間輻射場強較大的波段進行接收，從而提取較大的穩(wěn)定能量。以所處環(huán)境為例，測試了天線架設(shè)處的環(huán)境電磁波頻譜能量分布圖，結(jié)果如圖1所示。圖中反映出有幾個峰值點。對功率較大的AM頻段進一步測試，結(jié)果如圖2所示，可以選取能量最大的頻段為能量獲取信號源，如810 kHz的AM電波，測試點距中波發(fā)射臺8km，發(fā)射功率10 kW。

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1．2 電磁波能量收集方案
    設(shè)計的電磁波能量收集方案如圖3所示。首先通過天線和諧振電路獲取信號，其次通過倍壓整流電路對信號放大和能量轉(zhuǎn)換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節(jié)點執(zhí)行通信等任務(wù)。

    電能搜集天線需要高增益、等效接收面積大、較寬的頻帶，傳統(tǒng)天線形式難以適應(yīng)。擬收集的810 kHz AM電波波長為370 m，為與接收波長相比擬，天線最佳接收長度需達到數(shù)百米，實現(xiàn)困難。文中采用了接地的L型天線，長度為10 m，距地2 m，在天線末端加可調(diào)電感將天線調(diào)諧到最佳接收頻率，得到最大輸出功率。10 m雖然未達到最佳接收長度，但通過調(diào)諧，最大輸出功率可達85μW。該天線的不足是必須接地，但實際研究發(fā)現(xiàn)，一些不接地的導(dǎo)體也可以當(dāng)作天線，只要面積足夠大，例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。
    為使接受到的信號能量驅(qū)動傳感器節(jié)點工作必須進行整流放大。天線接受的電能在μV～mV量級，對后續(xù)整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰(zhàn)。其中電路中的開關(guān)、整流器等自身的損耗不可避免。
    文中采用倍壓電路將電壓放大。倍壓電路級數(shù)增加可以增大輸出電壓，但電流卻相應(yīng)減小，此外，隨著級數(shù)增加，所使用的二極管增多，電路功率損耗增大。因此要選擇功率損耗最小且輸出電壓足夠節(jié)點工作的倍壓級數(shù)。不同倍壓級數(shù)情況下的電壓與功率關(guān)系如圖4所示。一般無線傳感器節(jié)點的工作電壓為2～3 V，因此選擇一級倍壓可達到要求。

2 低功耗喚醒功能的電源管理電路
    為使傳感器節(jié)點在環(huán)境電磁波能量較少的地區(qū)也能工作，進一步降低傳感器節(jié)點的功耗要求，研究了睡眠／喚醒機制，設(shè)計了有定時喚醒功能的電源管理電路。電源管理電路控制節(jié)點的工作和休眠狀態(tài)，電源管理電路由儲能電容和電壓偵測電路構(gòu)成，如圖5所示。

    其中，儲能電容由1 000μF的鉭電容構(gòu)成，電壓偵測電路由MCU的AD和MOS管等構(gòu)成。S1閉合，能量收集系統(tǒng)開始對儲能電容充電。S2先打在下方，起限壓充電作用。當(dāng)LED亮?xí)r，儲能電容兩端電壓約為3．4 V，此時可把S2打到上方，使節(jié)點進入定時喚醒工作狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
    然后，當(dāng)充電電流大于節(jié)點的靜耗電流時，就可以對電容充電。MCU的AD每隔5 s對儲能電容兩端的電壓進行檢測，當(dāng)電壓<3 V閾值時，MCU和射頻單元(RF)處于休眠狀態(tài)以降低功耗，當(dāng)電壓達到3 V閾值時，MCU被喚醒，利用它內(nèi)部的溫度感應(yīng)器件采集溫度數(shù)據(jù)并通過射頻單元返回給PC機。在休眠狀態(tài)下，各部分的靜耗電流如表1所示。休眠狀態(tài)下總靜耗電流<2μA，這樣在滿足節(jié)點定期工作的同時，又減少了不必要的能源消耗。低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比采用傳統(tǒng)睡眠／喚醒機制的節(jié)點具有更低的功耗。

3 實驗測試與結(jié)果分析
3．1 AM電波能量穩(wěn)定性測試
    為了評估AM電波能量的穩(wěn)定性，進行了為期7天的測試。測試中，采用5級倍壓，每隔10 min測量一次天線的輸出電壓。由于中波發(fā)射塔全天候工作，且中波主要為地波傳播，基本不會受到氣候條件的影響。實際測試結(jié)果如圖6所示，其中周三至周四有一段時間內(nèi)電壓大幅下降，經(jīng)查是中波發(fā)射臺每周的停播檢修所致。其余時間內(nèi)，輸出電壓約為7 V波動，幅值偏差不超過30％，基本按24 h呈現(xiàn)周期性變化。

    針對能量收集天線和AM收音機之間的相互影響，進行了定性測試。對比普通AM收音機在天線周圍1 m范圍內(nèi)和距天線50 m處收聽電臺的效果，發(fā)現(xiàn)二者的音質(zhì)和音量基本相同。同時，兩種情況下天線輸出電壓也較穩(wěn)定。
3．2 節(jié)點工作穩(wěn)定性分析
    為檢測能量收集方案的正確性和可行性，設(shè)計了對環(huán)境溫度進行檢測并通過射頻單元進行定時發(fā)射通信的傳感器節(jié)點。
    為保證傳感器節(jié)點在采集溫度數(shù)據(jù)和定時通信中長期正常穩(wěn)定工作，還要使MCU工作在允許的電壓范圍內(nèi)：1．9～3．6 V，通過選擇合適的儲能電容值可以滿足這一要求。
    一般情況下，nRF2402發(fā)射一次數(shù)據(jù)所需時間為3．5 ms，平均電流為11 mA。傳感器節(jié)點每采集一次溫度都會消耗儲能電容所儲存的電能，從而導(dǎo)致儲能電容兩端的電壓下降。壓降VD的計算如式(1)所示。
   
    式中，CS為儲能電容的容值；IW和TW分別為射頻單元發(fā)射一次所需的平均電流和時間。計算得到VD約為0．04 V，即射頻單元工作一次后，儲能電容兩端的電壓值≥2．9 V，此值>1．9 V的MCU工作電壓下限。而儲能電容兩端電壓又不會超過3 V閾值，因此選擇1 000μF的儲能電容可以使MCU工作在允許電壓范圍內(nèi)。
3．3 有效工作范圍計算
    無線傳感器節(jié)點的截止工作電壓為1．9 V，截止工作電流為3 μA。在僅采用AM電波供電時，只有當(dāng)能量接收天線的輸出功率>5．7 μW時才能驅(qū)動傳感器節(jié)點工作。根據(jù)本研究所使用的長10 m、距地2 m的L型天線的接收效率，空間場強需要>44 mV／m才可供傳感器節(jié)點工作。通過計算中波發(fā)射臺在空間內(nèi)的電磁輻射場強分布，可以計算出有效工作范圍。
    對于單塔中波天線，在遠場區(qū)，隨著距離的增加，輻射場強減小，可以用場強計算式(2)計算。
   
    式中：r為被測位置與發(fā)射中波發(fā)射臺的距離，單位kw；P為發(fā)射機標(biāo)稱功率，單位kw；G為相對于基本振子的天線增益；A為地波衰減因子，在城市地區(qū)，當(dāng)高100 m的發(fā)射臺發(fā)射810 kHz電波時，A=1．39。由式(2)計算得，在距發(fā)射臺30 km的范圍內(nèi)，場強可達44mV／m。因此，采用AM電波供電的無線傳感器節(jié)點可在距離中波發(fā)射臺30 km的范圍內(nèi)工作。

4 結(jié)束語
    研究了用于無線傳感器節(jié)點的環(huán)境電磁波能量獲取關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種可行的供電方案。首先對所處環(huán)境電磁波頻段的能量分布進行測量分析，為能量收集電路設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)計合理的天線和諧振電路，對信號能量進行轉(zhuǎn)換、儲存和合理放大。設(shè)計了帶有定時喚醒機制的電源管理電路，使節(jié)點在電磁波能量較少的地區(qū)也能工作。實驗測試表明，方案正確可行，可以為低功耗傳感器節(jié)點提供工作能量，完成設(shè)計的采集數(shù)據(jù)和通信任務(wù)，獲取的能量穩(wěn)定性好，可以全天候長時間工作，而且通過有效的電源管理技術(shù)，使節(jié)點可以工作在微弱電磁場環(huán)境中。采用不同形式的天線可以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用需求，通過改善天線的接收效率、結(jié)合多種供能方式等可以使傳感器節(jié)點在離中波發(fā)射臺更遠處工作。