電磁波為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的新方案

1、利用環(huán)境電磁波為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的新方案無(wú)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(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理。傳感器節(jié)點(diǎn)一般工作在無(wú)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(diǎn)的使用壽命也非常有限，如何提高能量使用效率和節(jié)點(diǎn)生命周期是該 領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。收集環(huán)境能源作為電池的補(bǔ)充甚至替代 電池可以有 效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，成為研究熱 點(diǎn)之一。常用的環(huán)境能 源有太陽(yáng)能、 振動(dòng)能、風(fēng)能、溫差

2、熱能等，但這些能源往往 各有優(yōu)缺點(diǎn),有的受到氣候條 件限制而無(wú)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(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電的一種 新方案?？臻g環(huán)境中廣播電視塔、無(wú)線通 訊設(shè)備、移動(dòng)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(lái)源，特別是廣播電視塔、移動(dòng)基站等，輻射功率較大。 2010年,日本的Hiroshi Nishimoto嘗試 收集電視信號(hào)能量給WSN供電，在距 東京電視塔4 km處收集到1520卩W的能量，并在為期7天的測(cè)試中證明了 電視信號(hào)能量的穩(wěn)定性。D . Bouchouicha測(cè)試了城市環(huán)境 中0. 6

3、83. 6 GHz 之間的頻譜圖，并利用螺旋天線在一個(gè)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(kuò)展了環(huán)境電 磁波供電的傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)正常工作成為應(yīng)用的一大難點(diǎn)。本文研究利用環(huán)境AM電波為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)工作 方案的可行性,設(shè)計(jì) 了相應(yīng)的電源管理電路,使節(jié)點(diǎn)在環(huán)境電 磁波較少的區(qū)域也能 保持工作。此 外對(duì)電磁波能源的穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點(diǎn)的 性能進(jìn)行了相關(guān) 測(cè)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(cè)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

4、信號(hào),幾十MHz 的FM廣播 信號(hào),數(shù)百M(fèi)Hz的TV信號(hào),約900 MHz和1 800 MHz的GSM信 號(hào)，2. 4 GHz的ISM信號(hào)等，能量收集的第一步就是分析測(cè)量空間電磁波 的分布情況，選擇其中空間輻射 場(chǎng)強(qiáng)較大的波段進(jìn)行接收，從而提取較大 的穩(wěn)定能量。以所處環(huán)境為例，測(cè)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(gè)峰值點(diǎn)。對(duì)功率較大的 AM頻段進(jìn)一步測(cè)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(hào)源，如810 kHz的AM電波，測(cè)試點(diǎn)距中波發(fā)射臺(tái)8km，發(fā)射功率 10 kW。1亠廳 t/t 科 U E7-U TU尸 d1.2電磁波能量收集方案

5、設(shè)計(jì)的電磁波能量收集方案如圖3所示。首先通過(guò)天線和諧振電路獲取信號(hào)，其次通過(guò)倍壓整流 電路對(duì)信號(hào)放大和能量轉(zhuǎn)換，再通過(guò)電源管 理電路將能量供給微功耗節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)為370 m,為與接收波長(zhǎng)相比擬,天線最佳接收長(zhǎng)度需達(dá)到數(shù)百米，實(shí)現(xiàn) 困難。文中采用了接地的L型天線,長(zhǎng)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(dá)到最佳接收長(zhǎng)度,但通過(guò)調(diào)諧，最大輸出功率可達(dá)85卩Wo該天線的 不足是必須接地,但實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，一些不接地

6、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(hào)能量驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作 必須進(jìn)行整流放大。天線接受的電能在卩V mV量級(jí),對(duì)后續(xù)整流、升壓、儲(chǔ)能及電源管理都提出了挑戰(zhàn)。其中 電路中的開(kāi)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(jí)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(jí)數(shù)增力，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(diǎn)工作的 倍壓級(jí)數(shù)。不同倍壓級(jí)數(shù)情況下的電壓與功率關(guān)系如圖4所示。一般無(wú) 線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電 壓為23 V,因此選擇一級(jí)倍壓 可達(dá)到要求。2低功耗喚醒功能的電源

7、管理電路為使傳感器節(jié)點(diǎn)在環(huán)境電 磁波能量較少的地區(qū)也能工作，進(jìn)一步降低傳感 器節(jié)點(diǎn)的功耗 要求，研究了睡眠/喚醒機(jī)制，設(shè)計(jì)了有定時(shí)喚醒功能的電源管 理電路。電源管理電路控制節(jié)點(diǎn)的工作和休眠狀態(tài)，電源管理電路由儲(chǔ)能 電容和電壓偵測(cè)電路構(gòu)成，如圖5所示。其中,儲(chǔ)能電容由1 000卩的鉭電容構(gòu)成,電壓偵測(cè)電路由MCU的AD 和MOS管等構(gòu)成。S1閉合,能量收集系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)能電容兩端 電壓約為3. 4 V,此時(shí)可把S2打到上方，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 定時(shí)喚醒工作狀態(tài)。然后，當(dāng)充電電流大于節(jié)點(diǎn)的靜耗電流時(shí),就可以對(duì)電容充電。MCU 的AD每隔5 s對(duì)儲(chǔ)能

8、電容兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓3 V閾值時(shí),MCU和射頻單元（RF處于休眠狀態(tài)以 降低功耗，當(dāng)電壓達(dá)到3 V閾值時(shí)，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(guò)射頻單元返回給PC機(jī)。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2卩A這樣在滿足節(jié)點(diǎn)定 期工作的同時(shí),又減少了不必要的能源消耗。低功耗射頻喚醒無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比采用傳統(tǒng)睡眠/喚醒機(jī)制的節(jié)點(diǎn)具有更低的功耗。3實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析3. 1 AM電波能量穩(wěn)定性測(cè)試為了評(píng)估AM電波能量的穩(wěn)定性，進(jìn)行了為期7天的測(cè)試。測(cè)試中，采 用5級(jí)倍壓，每隔10 min測(cè)量一次天線的輸出電壓。由于中波發(fā)射塔全天 候工作,

9、且中波主要為地波傳播，基本不會(huì)受到氣候條件的影響。實(shí)際測(cè) 試結(jié)果如圖6所示，其中周三至周四有一段時(shí)間內(nèi)電壓大幅下降，經(jīng)查是 中波發(fā)射臺(tái)每周的停播檢修所致。其余時(shí)間內(nèi),輸出電壓約為7 V波 動(dòng)，幅值偏差不超過(guò)30%,基本按24 h呈現(xiàn)周期性變化。針對(duì)能量收集天線和AM收音機(jī)之間的相互影響，進(jìn)行了定性測(cè)試。 對(duì)比普通AM收音機(jī)在天線周圍1 m范圍內(nèi)和距天線50 m處收聽(tīng)電臺(tái) 的效果,發(fā)現(xiàn)二者的音質(zhì)和音量基本相同。同時(shí)，兩種情況下天線輸出 電壓也較穩(wěn)定。3. 2節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定性分析為檢測(cè)能量收集方案的正確性和可行性，設(shè)計(jì)了對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢 測(cè)并通過(guò)射頻單元進(jìn)行定時(shí)發(fā)射通信的傳感器節(jié)點(diǎn)。為保證傳感器節(jié)點(diǎn)

10、在采集 溫度數(shù)據(jù)和定時(shí)通信中長(zhǎng)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. 93. 6 V,通過(guò)選擇合適的儲(chǔ)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(shí)間為3. 5 ms,平均電流為 11 mA傳感器節(jié)點(diǎn)每采集一次溫度都會(huì)消耗儲(chǔ)能電容所儲(chǔ)存的電能,從而導(dǎo)致儲(chǔ) 能電容兩端 的電壓下降。壓降VD的計(jì)算如式（1所示。式中,CS為儲(chǔ)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(shí)間。計(jì)算得到VD約為0. 04 V,即射頻單元工作一次 后,儲(chǔ)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(chǔ)能電容兩端電壓又不會(huì)超過(guò)3 V

11、閾值,因此選擇1 000卩的儲(chǔ)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(jì)算無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的 截止工作電壓為1.9 V,截止工作電流為3卩A在僅采 用AM電波供電時(shí),只有當(dāng)能量接收天線的輸出功率5. 7卩時(shí)才能驅(qū) 動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作。 根據(jù)本研究 所使用的長(zhǎng)10 m、距地2 m的L型天線的 接收效率，空間場(chǎng)強(qiáng)需要44 mV/m才可供傳感器節(jié)點(diǎn)工作。通過(guò)計(jì)算中波 發(fā)射臺(tái)在空間內(nèi)的電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)分布,可以計(jì)算出有效工作范圍。對(duì)于單塔中波天線,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),隨著距離的增加,輻射場(chǎng)強(qiáng)減小，可以用 場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算式（2計(jì)算。式中：r為被測(cè)位置與發(fā)射中波發(fā)射臺(tái)的距離，單位kw ; P為發(fā)射機(jī) 標(biāo)稱功率,單位kw ; G為相對(duì)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(tái)發(fā)射810 kHz電波時(shí),A=1. 39。由式（2 計(jì)算得，在距發(fā)射臺(tái)30 km的范圍內(nèi),場(chǎng)強(qiáng) 可達(dá)44mV /m。因此,采用AM電 波供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) 可在距離中波發(fā)射臺(tái)30 km的范圍內(nèi)工作。4結(jié)束語(yǔ)研究了用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境電 磁波能量獲取關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計(jì)了一種 可行的供電方案。首先對(duì)所處環(huán)境電磁波頻段的能量分布進(jìn)行測(cè) 量分析， 為能量收集電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。設(shè)計(jì)合理的天線和諧振電路，對(duì)信號(hào)能 量進(jìn)行轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和合理放大。設(shè)計(jì)了帶有定時(shí)喚醒機(jī)制的電源管理 電路，使節(jié)點(diǎn)在電