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利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點供電的新方案

丫丫119 ? 來源:未知 ? 作者:肖冰 ? 2019-10-14 07:41 ? 次閱讀

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所示,可以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)體也可以當作天線,只要面積足夠大,例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。

為使接受到的信號能量驅(qū)動傳感器節(jié)點工作必須進行整流放大。天線接受的電能在μV~mV量級,對后續(xù)整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰(zhàn)。其中電路中的開關(guān)、整流器等自身的損耗不可避免。

文中采用倍壓電路將電壓放大。倍壓電路級數(shù)增加可以增大輸出電壓,但電流卻相應(yīng)減小,此外,隨著級數(shù)增加,所使用的二極管增多,電路功率損耗增大。因此要選擇功率損耗最小且輸出電壓足夠節(jié)點工作的倍壓級數(shù)。不同倍壓級數(shù)情況下的電壓與功率關(guān)系如圖4所示。一般無線傳感器節(jié)點的工作電壓為2~3 V,因此選擇一級倍壓可達到要求。

2、低功耗喚醒功能的電源管理電路

為使傳感器節(jié)點在環(huán)境電磁波能量較少的地區(qū)也能工作,進一步降低傳感器節(jié)點的功耗要求,研究了睡眠/喚醒機制,設(shè)計了有定時喚醒功能的電源管理電路。電源管理電路控制節(jié)點的工作和休眠狀態(tài),電源管理電路由儲能電容和電壓偵測電路構(gòu)成,如圖5所示。

其中,儲能電容由1 000μF的鉭電容構(gòu)成,電壓偵測電路由MCUAD和MOS管等構(gòu)成。S1閉合,能量收集系統(tǒng)開始對儲能電容充電。S2先打在下方,起限壓充電作用。當LED亮時,儲能電容兩端電壓約為3.4 V,此時可把S2打到上方,使節(jié)點進入定時喚醒工作狀態(tài)。

然后,當充電電流大于節(jié)點的靜耗電流時,就可以對電容充電。MCU的AD每隔5 s對儲能電容兩端的電壓進行檢測,當電壓<3 V閾值時,MCU和射頻單元(RF)處于休眠狀態(tài)以降低功耗,當電壓達到3 V閾值時,MCU被喚醒,利用它內(nèi)部的溫度感應(yīng)器件采集溫度數(shù)據(jù)并通過射頻單元返回給PC機。在休眠狀態(tài)下,各部分的靜耗電流如表1所示。休眠狀態(tài)下總靜耗電流<2μA,這樣在滿足節(jié)點定期工作的同時,又減少了不必要的能源消耗。低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比采用傳統(tǒng)睡眠/喚醒機制的節(jié)點具有更低的功耗。

3、實驗測試與結(jié)果分析

3.1 AM電波能量穩(wěn)定性測試

為了評估AM電波能量的穩(wěn)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(fā)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(jié)果如圖6所示,其中周三至周四有一段時間內(nèi)電壓大幅下降,經(jīng)查是中波發(fā)射臺每周的停播檢修所致。其余時間內(nèi),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(xiàn)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(nèi)和距天線50 m處收聽電臺的效果,發(fā)現(xiàn)二者的音質(zhì)和音量基本相同。同時,兩種情況下天線輸出電壓也較穩(wěn)定。

3.2 節(jié)點工作穩(wěn)定性分析為檢測能量收集方案的正確性和可行性,設(shè)計了對環(huán)境溫度進行檢測并通過射頻單元進行定時發(fā)射通信的傳感器節(jié)點。

為保證傳感器節(jié)點在采集溫度數(shù)據(jù)和定時通信中長期正常穩(wěn)定工作,還要使MCU工作在允許的電壓范圍內(nèi):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(fā)射一次數(shù)據(jù)所需時間為3.5 ms,平均電流為11 mA。傳感器節(jié)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(dǎo)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(fā)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(nèi)。

3.3 有效工作范圍計算

無線傳感器節(jié)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(qū)動傳感器節(jié)點工作。根據(jù)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(jié)點工作。通過計算中波發(fā)射臺在空間內(nèi)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(qū),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(fā)射中波發(fā)射臺的距離,單位kw;P為發(fā)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(qū),當高100 m的發(fā)射臺發(fā)射810 kHz電波時,A=1.39。由式(2)計算得,在距發(fā)射臺30 km的范圍內(nèi),場強可達44mV/m。因此,采用AM電波供電的無線傳感器節(jié)點可在距離中波發(fā)射臺30 km的范圍內(nèi)工作。

4、結(jié)束語

研究了用于無線傳感器節(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。首先對所處環(huán)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(shè)計提供依據(jù)。設(shè)計合理的天線和諧振電路,對信號能量進行轉(zhuǎn)換、儲存和合理放大。設(shè)計了帶有定時喚醒機制的電源管理電路,使節(jié)點在電磁波能量較少的地區(qū)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(jié)點提供工作能量,完成設(shè)計的采集數(shù)據(jù)和通信任務(wù),獲取的能量穩(wěn)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(shù),使節(jié)點可以工作在微弱電磁場環(huán)境中。采用不同形式的天線可以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用需求,通過改善天線的接收效率、結(jié)合多種供能方式等可以使傳感器節(jié)點在離中波發(fā)射臺更遠處工作。

作者:胡韜 龍青 孟航 西安電子科技大學通信工程學院 陜西西安710071

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