利用环境电磁波为无线传感器节点供电新方案

文章摘要： 电能搜集天线需要高增益、等效接收面积大、较宽的频带，传统天线形式难以适应。拟收集的810 kHz AM电波波长为370 m，为与接收波长相比拟，天线最佳接收长度需达到数百米，实现困难。文中采用了接地的L型天线，长度为10 m，距地2 m，在天线末端加可调电感将天线调谐到最佳接收频率，得到最大输出功率。10 m虽然未达到最佳接收长度，但通过调谐，最大输出功率可达85μW。该天线的不足是必须接地，但实际研究发现，一些不接地的导体也可以当作天线，只要面积足够大，例如铁柜、铝合金窗、楼顶水箱等。 为使接受到的信号能量驱动传感器节点工作必须进行整流放大。天线接受的电能在μV～m

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    电能搜集天线需要高增益、等效接收面积大、较宽的频带，传统天线形式难以适应。拟收集的810 kHz AM电波波长为370 m，为与接收波长相比拟，天线最佳接收长度需达到数百米，实现困难。文中采用了接地的L型天线，长度为10 m，距地2 m，在天线末端加可调电感将天线调谐到最佳接收频率，得到最大输出功率。10 m虽然未达到最佳接收长度，但通过调谐，最大输出功率可达85μW。该天线的不足是必须接地，但实际研究发现，一些不接地的导体也可以当作天线，只要面积足够大，例如铁柜、铝合金窗、楼顶水箱等。
    为使接受到的信号能量驱动传感器节点工作必须进行整流放大。天线接受的电能在μV～mV量级，对后续整流、升压、储能及电源管理都提出了挑战。其中电路中的开关、整流器等自身的损耗不可避免。
    文中采用倍压电路将电压放大。倍压电路级数增加可以增大输出电压，但电流却相应减小，此外，随着级数增加，所使用的二极管增多，电路功率损耗增大。因此要选择功率损耗最小且输出电压足够节点工作的倍压级数。不同倍压级数情况下的电压与功率关系如图4所示。一般无线传感器节点的工作电压为2～3 V，因此选择一级倍压可达到要求。

2 低功耗唤醒功能的电源管理电路
    为使传感器节点在环境电磁波能量较少的地区也能工作，进一步降低传感器节点的功耗要求，研究了睡眠／唤醒机制，设计了有定时唤醒功能的电源管理电路。电源管理电路控制节点的工作和休眠状态，电源管理电路由储能电容和电压侦测电路构成，如图5所示。

    其中，储能电容由1 000μF的钽电容构成，电压侦测电路由MCU的AD和MOS管等构成。S1闭合，能量收集系统开始对储能电容充电。S2先打在下方，起限压充电作用。当LED亮时，储能电容两端电压约为3．4 V，此时可把S2打到上方，使节点进入定时唤醒工作状态。

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    然后，当充电电流大于节点的静耗电流时，就可以对电容充电。MCU的AD每隔5 s对储能电容两端的电压进行检测，当电压<3 V阈值时，MCU和射频单元(RF)处于休眠状态以降低功耗，当电压达到3 V阈值时，MCU被唤醒，利用它内部的温度感应器件采集温度数据并通过射频单元返回给PC机。在休眠状态下，各部分的静耗电流如表1所示。休眠状态下总静耗电流<2μA，这样在满足节点定期工作的同时，又减少了不必要的能源消耗。低功耗射频唤醒无线传感器网络节点比采用传统睡眠／唤醒机制的节点具有更低的功耗。

    3 实验测试与结果分析
    3．1 AM电波能量稳定性测试
    为了评估AM电波能量的稳定性，进行了为期7天的测试。测试中，采用5级倍压，每隔10 min测量一次天线的输出电压。由于中波发射塔全天候工作，且中波主要为地波传播，基本不会受到气候条件的影响。实际测试结果如图6所示，其中周三至周四有一段时间内电压大幅下降，经查是中波发射台每周的停播检修所致。其余时间内，输出电压约为7 V波动，幅值偏差不超过30％，基本按24 h呈现周期性变化。

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