利用環境電磁波為無線傳感器節點供電新方案

胡 韜，龍 青，孟 航

(西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安 710071)

無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Network)是物聯網的關鍵技術之一，它綜合了通信技術、傳感器技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理。

傳感器節點一般工作在無人值守的狀態，利用電池供電，即使工作在低功耗模式下，節點的使用壽命也非常有限［1］，如何提高能量使用效率和節點生命周期是該領域的重點關注問題。收集環境能源作為電池的補充甚至替代電池可以有效地延長節點的使用壽命，成為研究熱點之一。常用的環境能源有太陽能、振動能、風能、溫差熱能等［2］，但這些能源往往各有優缺點，有的受到氣候條件限制而無法持續穩定地供能。

本文研究了一種環境電波能源獲取技術，提出了收集環境中雜散電磁波對無線傳感器節點進行供電的一種新方案。空間環境中廣播電視塔、無線通訊設備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環境電磁波能源有較好的空間分布性和穩定來源，特別是廣播電視塔、移動基站等，輻射功率較大［3］。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15～20 μW的能量，并在為期7天的測試中證明了電視信號能量的穩定性［4］。D.Bouchouicha測試了城市環境中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［5］。雖然大功率發射源擴展了環境電磁波供電的傳感器節點的工作范圍，但在環境電磁波較弱的區域如何有效收集能量，并把微弱能量轉換升壓以保障節點正常工作成為應用的一大難點。

本文研究利用環境AM電波為無線傳感器節點工作方案的可行性，設計了相應的電源管理電路，使節點在環境電磁波較少的區域也能保持工作。此外對電磁波能源的穩定性、有效工作范圍和傳感器節點的性能進行了相關測試和分析。

1 環境電磁波能量收集方案

1.1 環境電磁波頻譜能量測量分析

環境中充滿各種頻段的電磁波，如數百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數百MHz的TV信號，約900 MHz和1800 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，從而提取較大的穩定能量。以所處環境為例，測試了天線架設處的環境電磁波頻譜能量分布圖，結果如圖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，測試點距中波發射臺8 km，發射功率10 kW。

1.2 電磁波能量收集方案

設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換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節點執行通信等任務。

圖3 能量收集系統

電能搜集天線需要高增益、等效接收面積大、較寬的頻帶，傳統天線形式難以適應。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百米，實現困難。文中采用了接地的L型天線，長度為10 m，距地2 m，在天線末端加可調電感將天線調諧到最佳接收頻率，得到最大輸出功率。10 m雖然未達到最佳接收長度，但通過調諧，最大輸出功率可達85 μW。該天線的不足是必須接地，但實際研究發現，一些不接地的導體也可以當作天線，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動傳感器節點工作必須進行整流放大。天線接受的電能在μV～mV量級，對后續整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰。其中電路中的開關、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。倍壓電路級數增加可以增大輸出電壓，但電流卻相應減小，此外，隨著級數增加，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點工作的倍壓級數。不同倍壓級數情況下的電壓與功率關系如圖4所示。一般無線傳感器節點的工作電壓為2～3 V，因此選擇一級倍壓可達到要求。

圖4 不同倍壓級數下電壓與功率關系

2 低功耗喚醒功能的電源管理電路

為使傳感器節點在環境電磁波能量較少的地區也能工作，進一步降低傳感器節點的功耗要求，研究了睡眠/喚醒機制，設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點的工作和休眠狀態，電源管理電路由儲能電容和電壓偵測電路構成，如圖5所示。

圖5 電源管理電路

其中，儲能電容由1000 μF的鉭電容構成，電壓偵測電路由MCU的AD和MOS管等構成。S1閉合，能量收集系統開始對儲能電容充電。S2先打在下方，起限壓充電作用。當LED亮時，儲能電容兩端電壓約為3.4 V，此時可把S2打到上方，使節點進入定時喚醒工作狀態。

然后，當充電電流大于節點的靜耗電流時，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，當電壓＜3 V閾值時，MCU和射頻單元(RF)處于休眠狀態以降低功耗，當電壓達到3 V閾值時，MCU被喚醒，利用它內部的溫度感應器件采集溫度數據并通過射頻單元返回給PC機。在休眠狀態下，各部分的靜耗電流如表1所示。休眠狀態下總靜耗電流＜2 μA，這樣在滿足節點定期工作的同時，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絡節點比采用傳統睡眠/喚醒機制的節點具有更低的功耗。

表1 休眠狀態下靜耗電流

3 實驗測試與結果分析

3.1 AM電波能量穩定性測試

為了評估AM電波能量的穩定性，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。實際測試結果如圖5所示，其中周三至周四有一段時間內電壓大幅下降，經查是中波發射臺每周的停播檢修所致。其余時間內，輸出電壓約為7 V波動，幅值偏差不超過30%，基本按24 h呈現周期性變化。

圖6 AM電波能量穩定性測試結果

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范圍內和距天線50 m處收聽電臺的效果，發現二者的音質和音量基本相同。同時，兩種情況下天線輸出電壓也較穩定。

3.2 節點工作穩定性分析

為檢測能量收集方案的正確性和可行性，設計了對環境溫度進行檢測并通過射頻單元進行定時發射通信的傳感器節點。

為保證傳感器節點在采集溫度數據和定時通信中長期正常穩定工作，還要使MCU工作在允許的電壓范圍內: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發射一次數據所需時間為3.5 ms，平均電流為11 mA。傳感器節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1000 μF的儲能電容可以使MCU工作在允許電壓范圍內。

3.3 有效工作范圍計算

無線傳感器節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，只有當能量接收天線的輸出功率＞5.7 μW時才能驅動傳感器節點工作。根據本研究所使用的長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才可供傳感器節點工作。通過計算中波發射臺在空間內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，隨著距離的增加，輻射場強減小，可以用場強計算［6］式(2)計算。

式中:r為被測位置與發射中波發射臺的距離，單位kW;P為發射機標稱功率，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，當高100 m的發射臺發射810 kHz電波時，A=1.39。由式(2)計算得，在距發射臺30 km的范圍內，場強可達44 mV/m。因此，采用AM電波供電的無線傳感器節點可在距離中波發射臺30 km的范圍內工作。

4 結束語

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

［1］ NICHOLAS S H，GLENN G A.Small－scale energy harvesting through thermoelectric，vibration，and radiofrequency power conversion ［J］.Journal of Applied Physics，2008，103(101301):1－24.

［2］ 蘇波，李艷秋，于紅云，等.基于無線傳感器節點的能量管理系統［J］.太陽能學報，2009，30(8):1070－1072.

［3］ JAMALI D C，RANASINGHE P H COLE.Analysis of UHF RFID CMOS rectifier structures and input impedance characteristics［J］.Proc.SPIE，2005，6035:102 －112.

［4］ HIROSHI N，YOSHIHIRO K，TOHRU A.Prototype implementation of wireless sensor network using TV broadcast rfenergy harvesting ［C］. UBI Comp'2010， 2010:373－374.

［5］ BOUCHOUICHA D，LATRACH M，DUPONT F，et al.An experimental Evaluation of surrounding RF energy harvesting devices［C］.Proceedings of the 40th European Microwave Conference，2010:1381－1384.

［6］ 王鳳英，周楊，張蕊雪，等.中波發射臺電磁輻射環境影響理論預測與模擬類比方法的比較分析［J］.環境監測管理與技術，2008，20(4):31－33.