基于环境电磁波的无线传感器节点供电设计2

　　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