基于環(huán)境電磁波的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電設計2

　　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)