利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電新方案

摘要 采用無線傳感器節(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(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；無線傳感器節(jié)點(diǎn)；能源獲?。浑娫垂芾?br />
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(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、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(jìn)行處理。
傳感器節(jié)點(diǎn)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(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(diǎn)進(jìn)行供電的一種新方案。空間環(huán)境中廣播電視塔、無線通訊設(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(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M(fèi)Hz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(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)。對功率較大的AM頻段進(jìn)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(diǎn)距中波發(fā)射臺8km，發(fā)射功率10 kW。