利用環(huán)境電磁波為無線傳感器節(jié)點供電新方案

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(tǒng)天線形式難以適應(yīng)。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(shù)百米，實現(xiàn)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(diào)電感將天線調(diào)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(diào)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(fā)現(xiàn)，一些不接地的導(dǎo)體也可以當(dāng)作天線，只要面積足夠大，例如鐵柜、鋁合金窗、樓頂水箱等。
為使接受到的信號能量驅(qū)動傳感器節(jié)點工作必須進行整流放大。天線接受的電能在μV～mV量級，對后續(xù)整流、升壓、儲能及電源管理都提出了挑戰(zhàn)。其中電路中的開關(guān)、整流器等自身的損耗不可避免。
文中采用倍壓電路將電壓放大。倍壓電路級數(shù)增加可以增大輸出電壓，但電流卻相應(yīng)減小，此外，隨著級數(shù)增加，所使用的二極管增多，電路功率損耗增大。因此要選擇功率損耗最小且輸出電壓足夠節(jié)點工作的倍壓級數(shù)。不同倍壓級數(shù)情況下的電壓與功率關(guān)系如圖4所示。一般無線傳感器節(jié)點的工作電壓為2～3 V，因此選擇一級倍壓可達到要求。

2 低功耗喚醒功能的電源管理電路
為使傳感器節(jié)點在環(huán)境電磁波能量較少的地區(qū)也能工作，進一步降低傳感器節(jié)點的功耗要求，研究了睡眠／喚醒機制，設(shè)計了有定時喚醒功能的電源管理電路。電源管理電路控制節(jié)點的工作和休眠狀態(tài)，電源管理電路由儲能電容和電壓偵測電路構(gòu)成，如圖5所示。

其中，儲能電容由1 000μF的鉭電容構(gòu)成，電壓偵測電路由MCU的AD和MOS管等構(gòu)成。S1閉合，能量收集系統(tǒng)開始對儲能電容充電。S2先打在下方，起限壓充電作用。當(dāng)LED亮?xí)r，儲能電容兩端電壓約為3．4 V，此時可把S2打到上方，使節(jié)點進入定時喚醒工作狀態(tài)。