利用环境电磁波为无线传感器节点供电的新方案

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