电磁波为无线传感器节点供电的新方案

1、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

2、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 Hir

3、oshi 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 1520W 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. 683. 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

4、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

5、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

6、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

7、。 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 85W 。 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

8、 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 V 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

9、 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 23 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

10、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 000F 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

11、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 <2A ,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

12、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

13、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

14、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. 93. 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

15、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 000F 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

16、 压 为 1. 9 V, 截止 工作电 流 为 3 A 。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 W 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

17、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