利用环境电磁波为无线传感器节点供电新方案

摘要 采用无线传感器节点的环境电磁波能量获取关键技术，设计了一种可行的供电方案。通过对所处环境的频谱能量分析和采用合适的天线及转换电路，收集到足够能量驱动节点工作。同时设计了带有唤醒机制的低功耗电源管理电路，以适应节点在环境电磁波能量较少地区的工作。通过获取能量稳定性、有效工作范围和传感器节点的性能相关测试和分析，验证了方案的有效性和可行性。
关键词 环境电磁波；无线传感器节点；能源获取；电源管理

    无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是物联网的关键技术之一，它综合了通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理。
    传感器节点一般工作在无人值守的状态，利用电池供电，即使工作在低功耗模式下，节点的使用寿命也非常有限，如何提高能量使用效率和节点生命周期是该领域的重点关注问题。收集环境能源作为电池的补充甚至替代电池可以有效地延长节点的使用寿命，成为研究热点之一。常用的环境能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但这些能源往往各有优缺点，有的受到气候条件限制而无法持续稳定地供能。
    本文研究了一种环境电波能源获取技术，提出了收集环境中杂散电磁波对无线传感器节点进行供电的一种新方案。空间环境中广播电视塔、无线通讯设备、移动基站等几乎全天候辐射电磁波，因此环境电磁波能源有较好的空间分布性和稳定来源，特别是广播电视塔、移动基站等，辐射功率较大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto尝试收集电视信号能量给WSN供电，在距东京电视塔4 km处收集到15～20μW的能量，并在为期7天的测试中证明了电视信号能量的稳定性。D．Bouchouicha测试了城市环境中0．68～3．6 GHz之间的频谱图，并利用螺旋天线在一个WiFi基站附近收集到200 mV的输出电压。虽然大功率发射源扩展了环境电磁波供电的传感器节点的工作范围，但在环境电磁波较弱的区域如何有效收集能量，并把微弱能量转换升压以保障节点正常工作成为应用的一大难点。
    本文研究利用环境AM电波为无线传感器节点工作方案的可行性，设计了相应的电源管理电路，使节点在环境电磁波较少的区域也能保持工作。此外对电磁波能源的稳定性、有效工作范围和传感器节点的性能进行了相关测试和分析。

1 环境电磁波能量收集方案
1．1 环境电磁波频谱能量测量分析
    环境中充满各种频段的电磁波，如数百kHz的AM广播信号，几十MHz的FM广播信号，数百MHz的TV信号，约900 MHz和1 800 MHz的GSM信号，2．4 GHz的ISM信号等，能量收集的第一步就是分析测量空间电磁波的分布情况，选择其中空间辐射场强较大的波段进行接收，从而提取较大的稳定能量。以所处环境为例，测试了天线架设处的环境电磁波频谱能量分布图，结果如图1所示。图中反映出有几个峰值点。对功率较大的AM频段进一步测试，结果如图2所示，可以选取能量最大的频段为能量获取信号源，如810 kHz的AM电波，测试点距中波发射台8km，发射功率10 kW。

1．2 电磁波能量收集方案
    设计的电磁波能量收集方案如图3所示。首先通过天线和谐振电路获取信号，其次通过倍压整流电路对信号放大和能量转换，再通过电源管理电路将能量供给微功耗节点执行通信等任务。

    电能搜集天线需要高增益、等效接收面积大、较宽的频带，传统天线形式难以适应。拟收集的810 kHz AM电波波长为370 m，为与接收波长相比拟，天线最佳接收长度需达到数百米，实现困难。文中采用了接地的L型天线，长度为10 m，距地2 m，在天线末端加可调电感将天线调谐到最佳接收频率，得到最大输出功率。10 m虽然未达到最佳接收长度，但通过调谐，最大输出功率可达85μW。该天线的不足是必须接地，但实际研究发现，一些不接地的导体也可以当作天线，只要面积足够大，例如铁柜、铝合金窗、楼顶水箱等。
    为使接受到的信号能量驱动传感器节点工作必须进行整流放大。天线接受的电能在μV～mV量级，对后续整流、升压、储能及电源管理都提出了挑战。其中电路中的开关、整流器等自身的损耗不可避免。
    文中采用倍压电路将电压放大。倍压电路级数增加可以增大输出电压，但电流却相应减小，此外，随着级数增加，所使用的二极管增多，电路功率损耗增大。因此要选择功率损耗最小且输出电压足够节点工作的倍压级数。不同倍压级数情况下的电压与功率关系如图4所示。一般无线传感器节点的工作电压为2～3 V，因此选择一级倍压可达到要求。

2 低功耗唤醒功能的电源管理电路
    为使传感器节点在环境电磁波能量较少的地区也能工作，进一步降低传感器节点的功耗要求，研究了睡眠／唤醒机制，设计了有定时唤醒功能的电源管理电路。电源管理电路控制节点的工作和休眠状态，电源管理电路由储能电容和电压侦测电路构成，如图5所示。

    其中，储能电容由1 000μF的钽电容构成，电压侦测电路由MCU的AD和MOS管等构成。S1闭合，能量收集系统开始对储能电容充电。S2先打在下方，起限压充电作用。当LED亮时，储能电容两端电压约为3．4 V，此时可把S2打到上方，使节点进入定时唤醒工作状态。
    然后，当充电电流大于节点的静耗电流时，就可以对电容充电。MCU的AD每隔5 s对储能电容两端的电压进行检测，当电压<3 V阈值时，MCU和射频单元(RF)处于休眠状态以降低功耗，当电压达到3 V阈值时，MCU被唤醒，利用它内部的温度感应器件采集温度数据并通过射频单元返回给PC机。在休眠状态下，各部分的静耗电流如表1所示。休眠状态下总静耗电流<2μA，这样在满足节点定期工作的同时，又减少了不必要的能源消耗。低功耗射频唤醒无线传感器网络节点比采用传统睡眠／唤醒机制的节点具有更低的功耗。

3 实验测试与结果分析
3．1 AM电波能量稳定性测试
    为了评估AM电波能量的稳定性，进行了为期7天的测试。测试中，采用5级倍压，每隔10 min测量一次天线的输出电压。由于中波发射塔全天候工作，且中波主要为地波传播，基本不会受到气候条件的影响。实际测试结果如图6所示，其中周三至周四有一段时间内电压大幅下降，经查是中波发射台每周的停播检修所致。其余时间内，输出电压约为7 V波动，幅值偏差不超过30％，基本按24 h呈现周期性变化。

    针对能量收集天线和AM收音机之间的相互影响，进行了定性测试。对比普通AM收音机在天线周围1 m范围内和距天线50 m处收听电台的效果，发现二者的音质和音量基本相同。同时，两种情况下天线输出电压也较稳定。
3．2 节点工作稳定性分析
    为检测能量收集方案的正确性和可行性，设计了对环境温度进行检测并通过射频单元进行定时发射通信的传感器节点。
    为保证传感器节点在采集温度数据和定时通信中长期正常稳定工作，还要使MCU工作在允许的电压范围内：1．9～3．6 V，通过选择合适的储能电容值可以满足这一要求。
    一般情况下，nRF2402发射一次数据所需时间为3．5 ms，平均电流为11 mA。传感器节点每采集一次温度都会消耗储能电容所储存的电能，从而导致储能电容两端的电压下降。压降VD的计算如式(1)所示。
   

    式中，CS为储能电容的容值；IW和TW分别为射频单元发射一次所需的平均电流和时间。计算得到VD约为0．04 V，即射频单元工作一次后，储能电容两端的电压值≥2．9 V，此值>1．9 V的MCU工作电压下限。而储能电容两端电压又不会超过3 V阈值，因此选择1 000μF的储能电容可以使MCU工作在允许电压范围内。
3．3 有效工作范围计算
    无线传感器节点的截止工作电压为1．9 V，截止工作电流为3 μA。在仅采用AM电波供电时，只有当能量接收天线的输出功率>5．7 μW时才能驱动传感器节点工作。根据本研究所使用的长10 m、距地2 m的L型天线的接收效率，空间场强需要>44 mV／m才可供传感器节点工作。通过计算中波发射台在空间内的电磁辐射场强分布，可以计算出有效工作范围。
    对于单塔中波天线，在远场区，随着距离的增加，辐射场强减小，可以用场强计算式(2)计算。
   

    式中：r为被测位置与发射中波发射台的距离，单位kw；P为发射机标称功率，单位kw；G为相对于基本振子的天线增益；A为地波衰减因子，在城市地区，当高100 m的发射台发射810 kHz电波时，A=1．39。由式(2)计算得，在距发射台30 km的范围内，场强可达44mV／m。因此，采用AM电波供电的无线传感器节点可在距离中波发射台30 km的范围内工作。

4 结束语
    研究了用于无线传感器节点的环境电磁波能量获取关键技术，设计了一种可行的供电方案。首先对所处环境电磁波频段的能量分布进行测量分析，为能量收集电路设计提供依据。设计合理的天线和谐振电路，对信号能量进行转换、储存和合理放大。设计了带有定时唤醒机制的电源管理电路，使节点在电磁波能量较少的地区也能工作。实验测试表明，方案正确可行，可以为低功耗传感器节点提供工作能量，完成设计的采集数据和通信任务，获取的能量稳定性好，可以全天候长时间工作，而且通过有效的电源管理技术，使节点可以工作在微弱电磁场环境中。采用不同形式的天线可以适应不同场合的应用需求，通过改善天线的接收效率、结合多种供能方式等可以使传感器节点在离中波发射台更远处工作。