基于環(huán)境電磁波的無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電設(shè)計(jì)2

　　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

　　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