微型傳感器能量自捕獲電源系統研究

陜西省西安市第八中學 孟凡璽

微型傳感器能量自捕獲電源系統研究

陜西省西安市第八中學 孟凡璽

針對低功耗無線傳感器網絡中傳感器節點采用電池供電而導致整個傳感器網絡生存周期短的問題，提出了一種高頻信號能量自捕獲電源的設計方案。在設計中，分析了環境中電磁能穩定存在的特點，研究了雙頻微帶天線將電磁能轉化為電能的響應特性，進行低頻915Mhz和高頻1800MHz電磁波段雙頻微帶天線結構的研究與設計，并以雙頻微帶天線為核心設計了低頻和高頻信號能量自捕獲電源。

傳感器；能量自捕獲；雙頻微帶天線

1.引言

無線傳感器網絡已成為 21世紀的幾大技術之一，為無線傳感器網絡中的傳感器供電成了發展無線傳感器網絡必須克服的難點。本文針對無線傳感器網絡中的傳感器節點供電問題提出了一種微型傳感器能量自捕獲電源系統方案來解決這一問題，重點研究了接收天線的設計、整流倍壓電路、儲能及電源管理三個方面的問題。

2.電源系統總體方案

針對低功耗無線傳感器網絡中傳感器節點采用電池供電而導致整個傳感器網絡生存周期短的問題，討論設計一種高頻信號能量自捕獲電源系統來解決這一問題。核心思想是接收環境中不能被利用的那部分電磁波能量，并將其轉換積累為直流電能存儲于儲能元件中，而存儲有足夠電能的儲能元件就作為無線傳感器網絡節點的電源，以使無線傳感器網絡傳感器節點可以實現長久的供電。

根據環境中的電磁波分布情況，選擇其中空間輻射場強較大的波段進行接收，進行接收天線的設計與制作，以提取較大的穩定能量。設計整流倍壓電路將天線接收到的微弱的交流電能轉化為電壓值較高、能量較大的直流電能。最后，選擇合適的儲能元件將接受和轉換得到的電能進行儲存。即如圖1所示：

圖1 系統功能框圖

2.1 環境電磁波的分析

自然環境中的電磁波有522-1700kHz的AM廣播信號,87.5—108MHz的FM廣播信號，數百MHz的TV信號，900/1800/1900MHz的GSM信號，1880—1920MHz、2010-2025MHz的3G網絡信號，2.4GHz的ISM信號等。由于手機信號更加廣泛且穩定，故該系統選擇的工作頻段考慮以手機信號為主，即900/1800/1900MHz的GSM信號，1880-1920MHz、2010-2025MHz的3G網絡信號[1]。

2.2 接收天線方案

雙頻微帶天線的接收波段為：850—1000MHz和1710—2000MHz。由于雙頻微帶天線獲得雙頻工作的方法簡單，且雙頻微帶天線相對帶寬比較寬，調試也方便，所以選此天線接收信號。

2.3 整流倍壓模塊方案

由于信克爾倍壓整流電路的輸出電壓建立時間較長，輸出電壓紋波小，并且輸出電壓比較穩定，輸出電壓值較高，所以采用信克爾整流倍壓電路。但采用信克爾倍壓整流電路要實現高電壓輸出必須采用高耐壓的電容，尤其是最后一級電容的耐壓為輸出電電壓值。因此，當倍壓倍數高的情況下，在選擇電容時對電容的耐壓要求較高。由于本次電路設計所需要的升壓倍數不是特別的高，所以信克爾倍壓整流電路可以滿足設計要求[2]。

2.4 儲能及電源管理方案

電容儲能是最常用的能量存儲方法,但電容容量通常很小,因而存儲下來的電量不多。電容存儲一般應用在超低功耗的系統中,對于一些功耗稍高的應用,電容存儲已無法滿足系統的能量需求。隨著材料科學和制作工藝的發展,超級電容(Super Capacitor)應運而生。一般而言,超級電容的容量可以達到法拉級別,保證擁有了足夠的存儲空間，能夠滿足功耗稍高的傳感器網絡應用。電容存儲能量的過程實際上是電容充電的過程,在電容充電的過程中,電容對輸入的電流電壓沒有要求,即使很微弱的電壓電流也能夠在電容中得到累積。因此，本次設計中儲能方式就采用超級電容進行存儲。

能量管理模塊負責合理利用收集到的能量。由于該系統屬于低功耗對能量的要求較高，因此考慮使用低功耗單片機 MSP430通過軟件編寫程序設計一種睡眠與喚醒節能機制，實現對系統能量的管理，從而降低傳感器節點的功耗要求[3]。能量管理部分設計方案如下：通過電源管理電路控制節點的工作和休眠狀態。從電容收集到的能量經過穩壓芯片后提供給MSP430工作。在充電電路為電容充電的過程中，電量檢測芯片可以時刻檢測電容的電壓值。當檢測到電容的電壓達到一定值時， MSP430單片機將從睡眠狀態下喚醒，通過三極管控制LED燈的亮與滅，以驗證微型傳感器能量自捕獲電源可以為無線網絡傳感器節點供電。

圖2 系統整體框圖

2.5 電源系統總體方案

本系統的接收天線采用雙頻微帶天線，整流倍壓電路采用十級的信克爾整流倍壓電路，儲能模塊采用超級電容，電能管理模塊采用低功耗的單片機 MSP430 作為控制芯片,對電能的使用進行控制[4]。在總體的設計中接收天線設計成四個方向的陣列形式，對應的倍壓整流電路也設計為四個陣列形式，也就是能量接收和整流倍壓陣列同時為同一個儲能元件充電，系統整體結構框圖如圖2所示。

3.電源系統硬件電路

3.1 雙頻微帶天線

3.1.1 雙頻微帶天線工作原理

微帶天線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基片的一面敷以金屬輻射片、一面全部敷以金屬薄層做接地板而成；輻射片可以根據不同的要求設計成各種形狀。微帶天線具有質量輕、體積小和易于制造等優點，現今，它已經廣泛應用于個人無線通信中[5]。微帶天線的輻射是由微帶天線導體邊沿和地板之間的邊緣場產生的[6]。對微帶線不連續性的輻射分析是以微帶開路端和地板所構成的口徑場為基礎，基于導體中流動的電流進行的，這個分析是也可用來計算輻射對于微帶諧振器品質因數的影響。按此分析，輻射對于總品質因數的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對介電常數及基片厚度的函數。理論和實驗結果表明，在高頻時，輻射損耗遠大于導體和介質的損耗。還證明，在用厚的且介電常數較低的基片時，開路微帶線的輻射更強。

3.1.2 雙頻微帶天線具體參數設計

本次設計的接收天線是雙頻微帶的同軸線饋電天線，它的兩個中心工作頻率分別是915MHz和1800MHz。獲得雙頻工作的一種最簡單的方法是輻射貼片的長度對應一個頻率諧振，其寬度對應另一個頻率諧振，然后從對角線的一角饋電，就能使同一個輻射貼片工作于兩個頻率上。

接收天線具體參數初步設計：

（1）介質基片采用厚度為1.6mm的FR4環氧樹脂（FR4 Epoxy）板，天線饋電方式選擇50Ω同軸線饋電。

（2）微帶輻射貼片尺寸估計：介質基片采用采用厚度為1.6mm的FR4環氧樹板，所以天線設計基本參數厚度h=1.6mm，介質的介電常數εr=4.4。對于工作頻率為f的矩形微帶天線，它的輻射貼片的寬度w，輻射單元長度L，通過天線理論知識進行參數計算可以求得當 f=915MHz時，輻射貼片寬度：w=99.8mm，輻射貼片長度：L=77.9mm，有效介電常數：εr=4.26，等效縫隙寬度：L=0.75mm；當f=1800MHz時，輻射貼片寬度：w=50.72mm，輻射貼片長度：L=39.4mm，有效介電常數：εr=4.15，等效縫隙寬度：L=0.75mm。

（3）根據雙頻天線理論可以估計輸入阻抗為 50Ω饋電點的位置：當f=915MHz時，50Ω匹配點的初始位置： L1=20mm；當f=1800MHz時，50Ω匹配點的初始位置： L2=10.06mm。

以上設計和計算都是理論層面的，各個參數的值并不是最優的。

3.2 整流倍壓電路

信克爾倍壓整流電路是由電容和二極管組成，二倍壓整流的信克爾電路如圖3所示。其工作原理為：在交流電壓負半周時，導通，被充電至峰值=U1，不充電，第一個負半周充電完成；當正半周時，由于反向，因此不導通，電路通過正向的向充電，所以兩端電壓為電源電壓與兩端電壓串聯之和，則輸出電壓U輸出=-2U1。同理，我們在其基礎之上增加電路級數便可得到四倍、六倍壓甚至更高倍壓整流電路。

圖3 二倍壓整流信克爾電路

3.3 儲能及電源管理模塊

從天線接收到的電能是交變的微弱電信號，其能量相對較小，不能直接為無線傳感器網絡提供工作能量。因此需要利用整流倍壓模塊將天線接收到的交流電能進行整流升壓并積累。本設計使用超級電容作為儲能元件，通過電容收集并且儲存產生的能量。

3.3.1 儲能原理分析

超級電容器(Supercapacitor),又叫雙電層電容器、電化學電容器、法拉電容、黃金電容,是一種建立在德國物理學家Helmholz提出的界面雙電層理論基礎上的一種電化學元件[7],但儲能過程不發生化學反應,通過極化電解質來儲能,且儲能過程是可逆的,因此超級電容器可以反復充、放電數十萬次[8]。作為新興的儲能器件,超級電容器具有循環壽命長、充放電速度快、充放電效率高、高低溫性能好、能量檢測簡單準確、環保無污染等優點：

超級電容容值的確定：超級電容作為整個系統的電源，其所存儲的電能必須能夠使整個系統滿足正常工作需求。該系統設計休眠與喚醒模式，也就是在開始時單片機工作于休眠狀態，系統不斷地為超級電容充電，當休眠狀態的單片機檢測到超級電容所充的電能達到一定值時，單片機就從休眠狀態被喚醒進入正常工作狀態。單片機被喚醒后進入工作狀態每次工作60秒，再次進入休眠狀態。MSP430單片機正常工作時，電壓設定為3.0V時的電流為20mA。在理想條件下，單片機正常工作 60秒耗能為 E=U×I×t=3.0×20×10-3×60=3.6J，根據電容充電能量的關系 E=(C×U2)/2,可計算電容的容值為 0.8F.所以選擇1F電容[9]。

3.3.2 能量自捕獲電源系統的電能管理

電源管理模塊設計主要是考慮到功耗，休眠狀態中單片機可以檢測儲能元件的電壓，當儲能元件的電壓滿足一定值后，單片機從休眠狀態進入工作狀態，單片機工作 60秒后又自動進入休眠狀態。該電路主要功能就是檢測儲能元件的電能以及調整單片機的工作模式，控制芯片采用TI公司生產的超低功耗的MSP430單片機[10]。

MSP4301單片機的主要性能如下：

（1）超低功耗。MSP430系列單片機的電源采用1.8-3.6V，待機電流小于1uA，在RAM數據保持方式時耗電僅0.1uA，在活動模式時耗電250uA/MIPS，I/O輸入端口的漏電流最大為50nA。

（2）強大的處理能力。MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的 27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。

（3）高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊。

（4）系統工作穩定。運行環境溫度為-40-+85攝氏度，運行穩定，可靠性高，

（5）運算速度快。MSP430系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現 40ns的指令周期。

（6）方便高效的開發環境。開發語言有匯編語言和C語言。

3.4 電源系統的總體電路

將所有電路整合在同一塊電路板上，包含整流倍壓電路、能量存儲及電能管理模塊。電路原理圖如圖4所示，PCB布局如圖5所示。

圖5 PCB正面布局圖

圖6

4.電源系統軟件

根據系統設計的硬件電路，對系統的軟件進行設計。主要思路如下：當系統啟動后，首先，進行初始化設置，單片機首次檢測儲能元件兩端的電壓，當電壓滿足一定的值后，單片機從休眠狀態進入工作狀態，單片機調用內部的溫度傳感器檢測環境溫度，當得到環境的溫度后，與系統設定的溫度進行比較，最后單片機控制LED等作出顯示，等工作60s后單片機自動進入休眠狀態，完成一次工作循環。即如圖6程序流程。

5.結論

本文針對微型傳感器能量自捕獲電源系統的研究，分別從系統總體方案的設、電源系統硬件電路設計及軟件設計三個方面進行深入的研究，相比較而言，考慮到的因素比較多，主要想從本質上提高系統的能量輸入。從微型傳感器能量自捕獲電源系統的整體角度來講，考慮到接收電磁波的方向性，我們設計的主電路板劃分了四個方向，分別在東西南北四個方向進行能量的獲取。相應的我們也設計了四個方向的整流倍壓電路，從四個方向，和四個接收天線上進行能量的獲取。在能量的輸入部分我們設計的接收天線是雙頻率的這樣可以從根本上提高系統的能量輸入。在設計該系統時，盡可能多的考慮到所有的細節問題，通過理論研究和模型分析，本系統完全可以達到理想的結果，但是實際中，仍需要大量的實驗來進行驗證，并對系統加以改進。

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[2]Philip Khoury.A Power-Efficient Radio Frequency Energy-Harvesting Circuit.Master's degree thesis. Ottawa Carleton. 2013.

[3]H.J.Visser,A.C.F.Reniers,J.A.C.Theeuwes,Ambient RF Energy Scavenging: GSM and WLAN Power Density Measurements, European Microwave Conference,2008.EuMC 2008.Amsterdam, Netherlands. pp. 721-724, October 27-31,2008.ISBN:978-2-87487-006-4.

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[9]肖大帥.基于超級電容的城軌車輛再生能量存儲利用系統研究[D].西南交通大學碩士論文.

[10]熊燕.MSP430微控制器的能耗計算域低功耗設計[J].重慶三峽學院學報,2005.