利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電新方案

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。