摘要 繞行電感采用無線傳感器節(jié)點的環(huán)境電磁波能量獲取關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種可行的供電方案。通過對所處環(huán)境的頻譜能量分析和采用合適的天線及轉(zhuǎn)換電路，收集到足夠能量驅(qū)動節(jié)點工作。同時設(shè)計了帶有喚醒機制的低功耗電源管理電路，以適應(yīng)節(jié)點在環(huán)境電磁波能量較少地區(qū)的工作。通過獲取能量穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點的性能相關(guān)測試和分析，驗證了方案的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞 環(huán)境電磁波；無線傳感器節(jié)點；能源獲取；電源管理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它綜合了通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理。
傳感器節(jié)點一般工作在無人值守的狀態(tài)，利用電池供電，即使工作在低功耗模式下，節(jié)點的使用壽命也非常有限，如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期是該領(lǐng)域的重點關(guān)注問題。收集環(huán)境能源作為電池的補充甚至替代電池可以有效地延長節(jié)點的使用壽命，成為研究熱點之一。常用的環(huán)境能源有太陽能、振動能、風(fēng)能、溫差熱能等，但這些能源往往各有優(yōu)缺點，有的受到氣候條件限制而無法持續(xù)穩(wěn)定地供能。
本文研究了一種環(huán)境電波能源獲取技術(shù)，提出了收集環(huán)境中雜散電磁波對無線傳感器節(jié)點進行供電的一種新方案。空間環(huán)境中廣播電視塔、無線通訊設(shè)備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環(huán)境電磁波能源有較好的空間分布性和穩(wěn)定來源，特別是廣播大功率電感電視塔、移動基站等，輻射功率較大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto嘗試收集電視信號能量給WSN供電，在距東京電視塔4 km處收集到15～20μW的能量，并在為期7天的測試中證明了電視信號能量的穩(wěn)定性。D．Bouchouicha測試了城市環(huán)境中0．68～3．6 GHz之間的頻譜圖，并利用螺旋天線在一個WiFi基站附近收集到200 mV的輸出電壓。雖然大功率發(fā)射源擴展了環(huán)境電磁波供電的傳感器節(jié)點的工作范圍，但在環(huán)境電磁波較弱的區(qū)域如何有效收集能量，并把微弱能量轉(zhuǎn)換升壓以保障節(jié)點正常工作成為應(yīng)用的一大難點。
本文研究利用環(huán)境AM電波為無線傳感器節(jié)點工作方案的可行性，設(shè)計了相應(yīng)的電源管理電路，使節(jié)點在環(huán)境電磁波較少的區(qū)域也能保持工作。此外對電磁波能源的穩(wěn)定性、有效工作范圍和傳感器節(jié)點的性能進行了相關(guān)測試和分析。
1 環(huán)境電磁波能量收集方案
1．1 環(huán)境電磁波頻譜能量測量分析
環(huán)境中充滿各電感器生產(chǎn)種頻段的電磁波，如數(shù)百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數(shù)百MHz的TV信號，約900 MHz和1 800 MHz的GSM信號，2．4 GHz的ISM信號等，能量收集的第一步就是分析測量空間電磁波的分布情況，選擇其中空間輻射場強較大的波段進行接收，從而提取較大的穩(wěn)定能量。以所處環(huán)境為例，測試了天線架設(shè)處的環(huán)境電磁波頻譜能量分布圖，結(jié)果如圖1所示。圖中反映出有幾個峰值點。對功率較大的AM頻段進一步測試，結(jié)果如圖2繞行電感所示，可以電感器的參數(shù)選取能量最大的頻段為能量獲取信號源，如810 kHz的AM電波，測試點距中波發(fā)射臺8km，發(fā)射功率10 kW。
1．2 電磁波能量收集方案
設(shè)計的電磁波能量收集方案如圖3所示。首先通過天線和諧振電路獲取信號，其次通過倍壓整流電路對信號放大和能量轉(zhuǎn)換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節(jié)點執(zhí)行通信等任務(wù)。
電能搜集天線需要高增益、等效接收面積大、較寬的頻帶，傳統(tǒng)天線形式難以適應(yīng)。擬收集的810 kHz AM電波波長為370 m，為與接收波長相比擬，天線最佳接收長度需達到數(shù)百米，實現(xiàn)困難。文中采用了接地的L型天線，長度為10 m，距地2 m，在天線末端加可調(diào)電感將天線調(diào)諧到最佳接收頻率，得到最大輸出功率。10 m雖然未達到最佳接收長度，但通過調(diào)諧，最大輸出功率可達85μW。該天線的不足是必須接地，但實際研究發(fā)現(xiàn)，一些不接地的導(dǎo)體也可以當(dāng)作天線，只要面積足夠大，例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠
