利用環(huán)境電磁波為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電新方案

摘要 采用無(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。通過(guò)對(duì)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(dòng)節(jié)點(diǎn)工作。同時(shí)設(shè)計(jì)了帶有喚醒機(jī)制的低功耗電源管理電路，以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)在環(huán)境電磁波能量較少地區(qū)的工作。通過(guò)獲取能量穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點(diǎn)的性能相關(guān)測(cè)試和分析，驗(yàn)證了方案的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞 環(huán)境電磁波；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)；能源獲??；電源管理

    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15～20μW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0．68～3．6 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。

[!--empirenews.page--]
1．2 電磁波能量收集方案
    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)85μW。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μV～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(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2～3 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 000μF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)。[!--empirenews.page--]
    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<2μA，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，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)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)：1．9～3．6 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閾值，因此選擇1 000μF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 μA。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 μW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)在電磁波能量較少的地區(qū)也能工作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，方案正確可行，可以為低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)提供工作能量，完成設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間工作，而且通過(guò)有效的電源管理技術(shù)，使節(jié)點(diǎn)可以工作在微弱電磁場(chǎng)環(huán)境中。采用不同形式的天線可以適應(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求，通過(guò)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(diǎn)在離中波發(fā)射臺(tái)更遠(yuǎn)處工作。