利用环境电磁波为无线传感器节点供电新方案

摘要 采用无线传感器节点的环境电磁波能量获取关键技术，设计了一种可行的供电方案。通过对所处环境的频谱能量分析和采用合适的天线及转换电路，收集到足够能量驱动节点工作。同时设计了带有唤醒机制的低功耗电源管理电路，以适应节点在环境电磁波能量较少地区的工作。通过获取能量稳定性、有效工作范围和传感器节点的性能相关测试和分析，验证了方案的有效性和可行性。
关键词 环境电磁波；无线传感器节点；能源获取；电源管理

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是物联网的关键技术之一，它综合了通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理。
传感器节点一般工作在无人值守的状态，利用电池供电，即使工作在低功耗模式下，节点的使用寿命也非常有限，如何提高能量使用效率和节点生命周期是该领域的重点关注问题。收集环境能源作为电池的补充甚至替代电池可以有效地延长节点的使用寿命，成为研究热点之一。常用的环境能源有太阳能、振动能、风能、温差热能等，但这些能源往往各有优缺点，有的受到气候条件限制而无法持续稳定地供能。
本文研究了一种环境电波能源获取技术，提出了收集环境中杂散电磁波对无线传感器节点进行供电的一种新方案。空间环境中广播电视塔、无线通讯设备、移动基站等几乎全天候辐射电磁波，因此环境电磁波能源有较好的空间分布性和稳定来源，特别是广播电视塔、移动基站等，辐射功率较大。2010年，日本的Hiroshi Nishimoto尝试收集电视信号能量给WSN供电，在距东京电视塔4 km处收集到15～20μW的能量，并在为期7天的测试中证明了电视信号能量的稳定性。D．Bouchouicha测试了城市环境中0．68～3．6 GHz之间的频谱图，并利用螺旋天线在一个WiFi基站附近收集到200 mV的输出电压。虽然大功率发射源扩展了环境电磁波供电的传感器节点的工作范围，但在环境电磁波较弱的区域如何有效收集能量，并把微弱能量转换升压以保障节点正常工作成为应用的一大难点。
本文研究利用环境AM电波为无线传感器节点工作方案的可行性，设计了相应的电源管理电路，使节点在环境电磁波较少的区域也能保持工作。此外对电磁波能源的稳定性、有效工作范围和传感器节点的性能进行了相关测试和分析。

1 环境电磁波能量收集方案
1．1 环境电磁波频谱能量测量分析
环境中充满各种频段的电磁波，如数百kHz的AM广播信号，几十MHz的FM广播信号，数百MHz的TV信号，约900 MHz和1 800 MHz的GSM信号，2．4 GHz的ISM信号等，能量收集的第一步就是分析测量空间电磁波的分布情况，选择其中空间辐射场强较大的波段进行接收，从而提取较大的稳定能量。以所处环境为例，测试了天线架设处的环境电磁波频谱能量分布图，结果如图1所示。图中反映出有几个峰值点。对功率较大的AM频段进一步测试，结果如图2所示，可以选取能量最大的频段为能量获取信号源，如810 kHz的AM电波，测试点距中波发射台8km，发射功率10 kW。