摘要 繞行電感采用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。通過對所處環境的頻譜能量分析和采用合適的天線及轉換電路，收集到足夠能量驅動節點工作。同時設計了帶有喚醒機制的低功耗電源管理電路，以適應節點在環境電磁波能量較少地區的工作。通過獲取能量穩定性、有效工作范圍和傳感器節點的性能相關測試和分析，驗證了方案的有效性和可行性。
關鍵詞 環境電磁波；無線傳感器節點；能源獲取；電源管理

無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Network)是物聯網的關鍵技術之一，它綜合了通信技術、傳感器技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理。
傳感器節點一般工作在無人值守的狀態，利用電池供電，即使工作在低功耗模式下，節點的使用壽命也非常有限，如何提高能量使用效率和節點生命周期是該領域的重點關注問題。收集環境能源作為電池的補充甚至替代電池可以有效地延長節點的使用壽命，成為研究熱點之一。常用的環境能源有太陽能、振動能、風能、溫差熱能等，但這些能源往往各有優缺點，有的受到氣候條件限制而無法持續穩定地供能。
本文研究了一種環境電波能源獲取技術，提出了收集環境中雜散電磁波對無線傳感器節點進行供電的一種新方案。空間環境中廣播電視塔、無線通訊設備、移動基站等幾乎全天候輻射電磁波，因此環境電磁波能源有較好的空間分布性和穩定來源，特別是廣播大功率電感電視塔、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定性。D．Bouchouicha測試了城市環境中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。雖然大功率發射源擴展了環境電磁波供電的傳感器節點的工作范圍，但在環境電磁波較弱的區域如何有效收集能量，并把微弱能量轉換升壓以保障節點正常工作成為應用的一大難點。
本文研究利用環境AM電波為無線傳感器節點工作方案的可行性，設計了相應的電源管理電路，使節點在環境電磁波較少的區域也能保持工作。此外對電磁波能源的穩定性、有效工作范圍和傳感器節點的性能進行了相關測試和分析。

1 環境電磁波能量收集方案
1．1 環境電磁波頻譜能量測量分析
環境中充滿各電感器生產種頻段的電磁波，如數百kHz的AM廣播信號，幾十MHz的FM廣播信號，數百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，從而提取較大的穩定能量。以所處環境為例，測試了天線架設處的環境電磁波頻譜能量分布圖，結果如圖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，結果如圖2繞行電感所示，可以電感器的參數選取能量最大的頻段為能量獲取信號源，如810 kHz的AM電波，測試點距中波發射臺8km，發射功率10 kW。

1．2 電磁波能量收集方案
設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換，再通過電源管理電路將能量供給微功耗節點執行通信等任務。

電能搜集天線需要高增益、等效接收面積大、較寬的頻帶，傳統天線形式難以適應。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百米，實現困難。文中采用了接地的L型天線，長度為10 m，距地2 m，在天線末端加可調電感將天線調諧到最佳接收頻率，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，但實際研究發現，一些不接地的導體也可以當作天線，只要面積足夠大，例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠