利用環境電磁波為無線傳感器節點供電新方案

3 實驗測試與結果分析
3．1 AM電波能量穩定性測試
為了評估AM電波能量的穩定性，進行了為期7天的測試。測試中，采用5級倍壓，每隔10 min測量一次天線的輸出電壓。由于中波發射塔全天候工作，且中波主要為地波傳播，基本不會受到氣候條件的影響。實際測試結果如圖6所示，其中周三至周四有一段時間內電壓大幅下降，經查是中波發射臺每周的停播檢修所致。其余時間內，輸出電壓約為7 V波動，幅值偏差不超過30％，基本按24 h呈現周期性變化。

針對能量收集天線和AM收音機之間的相互影響，進行了定性測試。對比普通AM收音機在天線周圍1 m范圍內和距天線50 m處收聽電臺的效果，發現二者的音質和音量基本相同。同時，兩種情況下天線輸出電壓也較穩定。
3．2 節點工作穩定性分析
為檢測能量收集方案的正確性和可行性，設計了對環境溫度進行檢測并通過射頻單元進行定時發射通信的傳感器節點。
為保證傳感器節點在采集溫度數據和定時通信中長期正常穩定工作，還要使MCU工作在允許的電壓范圍內：1．9～3．6 V，通過選擇合適的儲能電容值可以滿足這一要求。
一般情況下，nRF2402發射一次數據所需時間為3．5 ms，平均電流為11 mA。傳感器節點每采集一次溫度都會消耗儲能電容所儲存的電能，從而導致儲能電容兩端的電壓下降。壓降VD的計算如式(1)所示。

式中，CS為儲能電容的容值；IW和TW分別為射頻單元發射一次所需的平均電流和時間。計算得到VD約為0．04 V，即射頻單元工作一次后，儲能電容兩端的電壓值≥2．9 V，此值>1．9 V的MCU工作電壓下限。而儲能電容兩端電壓又不會超過3 V閾值，因此選擇1 000μF的儲能電容可以使MCU工作在允許電壓范圍內。
3．3 有效工作范圍計算
無線傳感器節點的截止工作電壓為1．9 V，截止工作電流為3 μA。在僅采用AM電波供電時，只有當能量接收天線的輸出功率>5．7 μW時才能驅動傳感器節點工作。根據本研究所使用的長10 m、距地2 m的L型天線的接收效率，空間場強需要>44 mV／m才可供傳感器節點工作。通過計算中波發射臺在空間內的電磁輻射場強分布，可以計算出有效工作范圍。
對于單塔中波天線，在遠場區，隨著距離的增加，輻射場強減小，可以用場強計算式(2)計算。

式中：r為被測位置與發射中波發射臺的距離，單位kw；P為發射機標稱功率，單位kw；G為相對于基本振子的天線增益；A為地波衰減因子，在城市地區，當高100 m的發射臺發射810 kHz電波時，A=1．39。由式(2)計算得，在距發射臺30 km的范圍內，場強可達44mV／m。因此，采用AM電波供電的無線傳感器節點可在距離中波發射臺30 km的范圍內工作。

4 結束語
研究了用于無線傳感器節點的環境電磁波能量獲取關鍵技術，設計了一種可行的供電方案。首先對所處環境電磁波頻段的能量分布進行測量分析，為能量收集電路設計提供依據。設計合理的天線和諧振電路，對信號能量進行轉換、儲存和合理放大。設計了帶有定時喚醒機制的電源管理電路，使節點在電磁波能量較少的地區也能工作。實驗測試表明，方案正確可行，可以為低功耗傳感器節點提供工作能量，完成設計的采集數據和通信任務，獲取的能量穩定性好，可以全天候長時間工作，而且通過有效的電源管理技術，使節點可以工作在微弱電磁場環境中。采用不同形式的天線可以適應不同場合的應用需求，通過改善天線的接收效率、結合多種供能方式等可以使傳感器節點在離中波發射臺更遠處工作。