利用環(huán)境電磁波為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電新方案
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然后，當充電電流大于節點(diǎn)的靜耗電流時(shí)，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(jìn)行檢測，當電壓3 V閾值時(shí)，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(shí)，MCU被喚醒，利用它內部的溫度感應器件采集溫度數據并通過(guò)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(mǎn)足節點(diǎn)定期工作的同時(shí)，又減少了不必要的能源消耗。低功耗射頻喚醒無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)比采用傳統睡眠／喚醒機制的節點(diǎn)具有更低的功耗。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/161830.htm
3 實(shí)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(jìn)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(xiàn)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(huì )受到氣候條件的影響。實(shí)際測試結果如圖6所示，其中周三至周四有一段時(shí)間內電壓大幅下降，經(jīng)查是中波發(fā)射臺每周的停播檢修所致。其余時(shí)間內，輸出電壓約為7 V波動(dòng)，幅值偏差不超過(guò)30％，基本按24 h呈現周期性變化。
針對能量收集天線(xiàn)和AM收音機之間的相互影響，進(jìn)行了定性測試。對比普通AM收音機在天線(xiàn)周?chē)? m范圍內和距天線(xiàn)50 m處收聽(tīng)電臺的效果，發(fā)現二者的音質(zhì)和音量基本相同。同時(shí)，兩種情況下天線(xiàn)輸出電壓也較穩定。
3．2 節點(diǎn)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(huán)境溫度進(jìn)行檢測并通過(guò)射頻單元進(jìn)行定時(shí)發(fā)射通信的傳感器節點(diǎn)。
為保證傳感器節點(diǎn)在采集溫度數據和定時(shí)通信中長(cháng)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(guò)選擇合適的儲能電容值可以滿(mǎn)足這一要求。
一般情況下，nRF2402發(fā)射一次數據所需時(shí)間為3．5 ms，平均電流為11 mA。傳感器節點(diǎn)每采集一次溫度都會(huì )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(fā)射一次所需的平均電流和時(shí)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(huì )超過(guò)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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(shí)，只有當能量接收天線(xiàn)的輸出功率>5．7 μW時(shí)才能驅動(dòng)傳感器節點(diǎn)工作。根據本研究所使用的長(cháng)10 m、距地2 m的L型天線(xiàn)的接收效率，空間場(chǎng)強需要>44 mV／m才可供傳感器節點(diǎn)工作。通過(guò)計算中波發(fā)射臺在空間內的電磁輻射場(chǎng)強分布，可以計算出有效工作范圍。
對于單塔中波天線(xiàn)，在遠場(chǎng)區，隨著(zhù)距離的增加，輻射場(chǎng)強減小，可以用場(chǎng)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(chēng)功率，單位kw；G為相對于基本振子的天線(xiàn)增益；A為地波衰減因子，在城市地區，當高100 m的發(fā)射臺發(fā)射810 kHz電波時(shí)，A=1．39。由式(2)計算得，在距發(fā)射臺30 km的范圍內，場(chǎng)強可達44mV／m。因此，采用AM電波供電的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可在距離中波發(fā)射臺30 km的范圍內工作。
4 結束語(yǔ)
研究了用于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的環(huán)境電磁波能量獲取關(guān)鍵技術(shù)，設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(jìn)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(xiàn)和諧振電路，對信號能量進(jìn)行轉換、儲存和合理放大。設計了帶有定時(shí)喚醒機制的電源管理電路，使節點(diǎn)在電磁波能量較少的地區也能工作。實(shí)驗測試表明，方案正確可行，可以為低功耗傳感器節點(diǎn)提供工作能量，完成設計的采集數據和通信任務(wù)，獲取的能量穩定性好，可以全天候長(cháng)時(shí)間工作，而且通過(guò)有效的電源管理技術(shù)，使節點(diǎn)可以工作在微弱電磁場(chǎng)環(huán)境中。采用不同形式的天線(xiàn)可以適應不同場(chǎng)合的應用需求，通過(guò)改善天線(xiàn)的接收效率、結合多種供能方式等可以使傳感器節點(diǎn)在離中波發(fā)射臺更遠處工作。
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