基于环境电磁波的无线传感器节点供电设计2

　　3.2 节点工作稳定性分析

　　为检测能量收集方案的正确性和可行性，设计了对环境温度进行检测并通过射频单元进行定时发射通信的传感器节点。

　　为保证传感器节点在采集温度数据和定时通信中长期正常稳定工作，还要使MCU工作在允许的电压范围内：1.9～3.6 V，通过选择合适的储能电容值可以满足这一要求。

　　一般情况下，nRF2402发射一次数据所需时间为3.5 ms，平均电流为11 mA。传感器节点每采集一次温度都会消耗储能电容所储存的电能，从而导致储能电容两端的电压下降。压降VD的计算如式(1)所示。

　　式中，CS为储能电容的容值;IW和TW分别为射频单元发射一次所需的平均电流和时间。计算得到VD约为0.04 V，即射频单元工作一次后，储能电容两端的电压值≥2.9 V，此值>1.9 V的MCU工作电压下限。而储能电容两端电压又不会超过3 V阈值，因此选择1 000μF的储能电容可以使MCU工作在允许电压范围内。

　　3.3 有效工作范围计算

无线传感器节点的截止工作电压为1.9 V，截止工作电流为3 μA。在仅采用AM电波供电时，只有当能量接收天线的输出功率>5.7 μW时才能驱动传感器节点工作。根据本研究所使用的长10 m、距地2 m的L型天线的接收效率，空间场强需要>44 mV/m才可供传感器节点工作。通过计算中波发射台在空间内的电磁辐射场强分布，可以计算出有效工作范围。

　　对于单塔中波天线，在远场区，随着距离的增加，辐射场强减小，可以用场强计算式(2)计算。

　　式中：r为被测位置与发射中波发射台的距离，单位kw;P为发射机标称功率，单位kw;G为相对于基本振子的天线增益;A为地波衰减因子，在城市地区，当高100 m的发射台发射810 kHz电波时，A=1.39。由式(2)计算得，在距发射台30 km的范围内，场强可达44mV/m。因此，采用AM电波供电的无线传感器节点可在距离中波发射台30 km的范围内工作。

　　4 结束语

　　研究了用于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。首先对所处环境电磁波频段的能量分布进行测量分析，为能量收集电路设计提供依据。设计合理的天线和谐振电路，对信号能量进行转换、储存和合理放大。设计了带有定时唤醒机制的电源管理电路，使节点在电磁波能量较少的地区也能工作。实验测试表明，方案正确可行，可以为低功耗传感器节点提供工作能量，完成设计的采集数据和通信任务，获取的能量稳定性好，可以全天候长时间工作，而且通过有效的电源管理技术，使节点可以工作在微弱电磁场环境中。采用不同形式的天线可以适应不同场合的应用需求，通过改善天线