利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點供電新方案

摘要 采用無線傳感器節(jié)點的環(huán)境電磁波能量獲取關鍵技術，設計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換電路，收集到足夠能量驅動節(jié)點工作。同時設計了帶有喚醒機制的低功耗電源管理電路，以適應節(jié)點在環(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)點的性能相關測試和分析，驗證了方案的有效性和可行性。
關鍵詞 環(huán)境電磁波；無線傳感器節(jié)點；能源獲取；電源管理

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN，Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)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(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理。
傳感器節(jié)點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)點的使用壽命也非常有限，如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期是該領域的重點關注問題。收集環(huán)境能源作為電池的補充甚至替代電池可以有效地延長節(jié)點的使用壽命，成為研究熱點之一。常用的環(huán)境能源有太陽能、振動能、風能、溫差熱能等，但這些能源往往各有優(yōu)缺點，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，提出了收集環(huán)境中雜散電磁波對無線傳感器節(jié)點進行供電的一種新方案?？臻g環(huán)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(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)射源擴展了環(huán)境電磁波供電的傳感器節(jié)點的工作范圍，但在環(huán)境電磁波較弱的區(qū)域如何有效收集能量，并把微弱能量轉換升壓以保障節(jié)點正常工作成為應用的一大難點。
本文研究利用環(huán)境AM電波為無線傳感器節(jié)點工作方案的可行性，設計了相應的電源管理電路，使節(jié)點在環(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)點的性能進行了相關測試和分析。

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MHz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較大的波段進行接收，從而提取較大的穩(wěn)定能量。以所處環(huán)境為例，測試了天線架設處的環(huán)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(fā)射臺8km，發(fā)射功率10 kW。