微型传感器能量自捕获电源系统研究

【摘 要】本文针对低功耗无线传感器网络中传感器节点采用电池供电而导致整个传感器网络生存周期短的问题，提出了一种高频信号能量自捕获电源的设计方案。分析了环境中电磁能稳定存在的特点，研究了偶极子天线将电磁能转化为电能的响应特性，进行915MHz电磁段偶极子天线结构及制造工艺的研究与设计，并以偶极子天线为核心设计了高频信号能量自捕获电源。实验结果表明能量自捕获电源在自然环境中有效的收集能量，在电磁环境下立即响应，使用1F电容完全蓄电可使传感器全负荷连续发送数据12次，满足无线传感器网络中传感器节点供电的要求。

【关键词】无线传感器节点；偶极子天线；射频能量自捕获

Research on Power System Self-trapping Energy Micro Sensor

XIN Guang-ze ZHANG Ning-qiang HOU Hong-lu ZHANG Ze-qian ZHANG Yu YAN Bo

（Xi’an Technological University，Xi’an Shaanxi 710021，China）

【Abstract】A power source system is designed for capturing and storaging electromagnetic energy of 915MHz，which can provide the passive low-power sensor nodes continuous power while eliminating the hassle of replacing batteries.

【Key words】Wireless-sensor-nodes；Dipole antenna；RF-energy-capture

0 引言

无线传感器网络由大量静止传感器构成，以自组织的方式协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域被感知对象的信息。传统传感器网络采用电池供电，由于网络节点众多、分布区域广且工作环境复杂，电池的更换成为该技术在工程中大规模应用的主要障碍。能量自捕获系统的出现为该技术难题提供了解决方法。

2011年西安电子科技大学设计了利用810kHz的AM波段电磁能为传感器供电的方案[1]。2011年浙江大学提出了以915MHz的高频信号电磁能作为能量来源无线传感器网络为节点供电的设计方案[2]。但是以上研究仅停留于理论阶段，未付诸实践。本文通过实验确定了以915MHz电磁波为供能源，能量由响应天线接收后经升压整流电路转换为5V直流电能，最终用超级电容储存。

1 系统总体设计方案

如图1所示为微型传感器能量自捕获电源系统框图。天线接收环境中的电磁波，经过阻抗匹配电路进入整流电路，将交流电转化为直流，滤除杂波。升压环节将微弱的电压信号升至所需电压，电能最终存储于陶瓷电容中。存储电容为负载充电时并为处理器提供电能。处理器功耗较大，若MCU没有执行任务则进入休眠状态，反之则进入工作状态，工作20ms之后重新进入休眠状态。当MCU处于工作状态时，控制射频收发模块向上位机发射测温数据，并显示于液晶屏。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件电路设计

2.1 天线能量转化模块

在城市环境中AM波段以及高频通讯波段的电磁能量密度最高[3]，另外，考虑到无线传感器工作在无人区，无广播信号覆盖，选择使用900MHz的高频手机信号[4]作为能量捕获对象[5]。

天线在无线充电传感器节点中负责能量收集。常见的天线有半波偶极子天线，微带天线，宽频螺旋天线等，本设计选择半波偶极子天线作为接收天线[6]。

偶极子天线由两根导线组成，其中半波偶极子天线由两根四分之一波长的振子组成，偶极子天线的尺寸为电磁波波长的一半，所以直线偶极子天线的长度为15cm左右。为简化设计，采用直线半波偶极子天线作为接收天线，其电导率为1.673×Ω・CM，天线的中心频率为915MHz，输入阻抗为50Ω。

图2 直线偶极子天线

2.2 整流倍压模块

传统倍压的方法利用变压器升压，由于变压器体积过大，且无法响应900MHz高频信号。所以本文采用电荷泵整流倍压。整流倍压电路通过对迪克森式电荷泵进行改进，实现无源整流升压。如图3所示为单级整流倍压电路。

图3 单级整流倍压电路

二极管D1和电容C1为A点的电压建立了一个DC参考。当D1导通时，A点的电压为负极性，将会为C1进行充电来阻碍A点的电压变为负极性。A点的电压是Vin+Vin。D2将A点的电压进行整流，C2将保持输出电压（Vout）峰值V1。因此，整流器的开路电压是一个DC电压并且为2Vin。工作在稳态，电流是从C2流出，当C2的电压低于V1时，电容会再次充电。Vin通常在毫伏级别，为了得到一个更高的输出电压，常常将该电路进行N级连接[7]。电压理论值为：

Vout=2NVin

为了给后续模块提供足够的电压，在实际应用中选用四级倍压整流电路。

图4 四级被压整流电路原理图

2.3 能量存储模块

该模块使用超级电容为MCU存储微弱电能。

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。超级电容的容量可以达到法拉级别，能够满足功耗稍高的传感网络应用[8]。

2.4 微处理器模块

微处理器模块控制整个无线充电传感器节点，完成对传感器数据的采样及整个节点能量的调度。选择体积小、功耗低、自带温度传感器、和同步SPI的MSP430F2013作为该系统的控制芯片。

该芯片通过软件编程实现：电路的休眠与唤醒、读取传感器数据并送至射频收发模块。MSP43OF2013的五种休眠模式LPM0-LPM4的区别在于主时钟、子时钟与辅助时钟的开启与否。该电路休眠时仅需要辅助时钟工作，故选用LPM3休眠模式。

2.5 PCB板的设计

为了方便调试，将天线模块与后续电路分别设计在两块电路板上。该PCB板采用两层板设计，表面覆铜。选用厚度为0.8mm的RF-4板材为PCB材料。如图5所示为电源系统的PCB。

图5 系统PCB设计图

3 测试与结果分析

MCU将温度传感器数据通过射频收发模块cc1101发送至接收端子，以模拟传感器节点的工作过程。表1为该电源在有两个通话手机放置在距天线10cm的位置时，1F的储能电容的端电压变化情况。

从上表可以看出，要将1F的超级电容充满需要近一个半小时时间。充满电的电容可供MCU连续工作1分钟20秒，可处理与发送数据约12次。设备基本实现了预定的目标。

4 结论

本文设计了微型传感器能量自捕获电源系统的总体方案，完成了硬件电路设计与制作。通过分析储能以及MCU采集与发射温度数据的工作过程，验证了该系统可以解决无线传感网络的能量自供给问题。设计系统结构紧凑、体积小，摆脱了传统能源对环境的依赖。随着低功耗器件的发展，能量自捕获电源系统就能够实现大规模工程应用。

【参考文献】

[1]胡韬，龙青，孟航.利用环境电磁波为无线传感器节点供电新方案[J].电子科技期刊，2011：1-24.

[2]江发昌.无线充电传感器网络系统及应用[D].2012：3-18.

[3]Hiroshin，Yoshihirok，Tohrur.Prototype implementation of wireless sensor network using TV broadcast RF energy harvesting[J].UBI，2010：373-374.

[4]M.Arrawatia，M.S.Baghini， G.Kumar.RF Energy Harvesting from Cell Towers in 900MHz Band.NCC，2011，ISBN：978-1-61284-090-1：1-5[Z].

[5]D.Bouchouicha，M.Latrach，F.Dupont，L.Ventura，An Experimental Evaluation of Surrounding RF Energy Harvesting Devices.EUMCP，2010，ISBN：978-1-4244-7232-1：1381-1384[Z].

[6]H.J.Visser，A.C.F.Reniers，J.A.C.Theeuwes.Ambient RF Energy Scavenging： GSM and WLAN Power Density Measurements.EUMC，2008，ISBN：978-2-87487-006-4：721-724[Z].

[7]A.Georgiadis，G.Andia，A.Collado.Designand Optimization Using Reciprocity Theory and Harmonic Balance Analysis for EM Energy Harvesting.Antennas and Wireless Propagation Letters，2010：444-446[Z].

[8]苏波，李艳秋，于红云，等.基于无线传感器节点的能量管理系统[J].太阳能学报，2009：1070-1072.

基金项目：部级大学生创新创业训练计划项目（201210702010）。

作者简介：张宁强（1991―），男，陕西宝鸡人，西安工业大学学生，电子科学与技术专业。