陜西省西安市第八中學(xué) 孟凡璽

微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)研究

陜西省西安市第八中學(xué) 孟凡璽

針對(duì)低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電而導(dǎo)致整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期短的問(wèn)題，提出了一種高頻信號(hào)能量自捕獲電源的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)中，分析了環(huán)境中電磁能穩(wěn)定存在的特點(diǎn)，研究了雙頻微帶天線將電磁能轉(zhuǎn)化為電能的響應(yīng)特性，進(jìn)行低頻915Mhz和高頻1800MHz電磁波段雙頻微帶天線結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)，并以雙頻微帶天線為核心設(shè)計(jì)了低頻和高頻信號(hào)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為 21世紀(jì)的幾大技術(shù)之一，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器供電成了發(fā)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須克服的難點(diǎn)。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題提出了一種微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)方案來(lái)解決這一問(wèn)題，重點(diǎn)研究了接收天線的設(shè)計(jì)、整流倍壓電路、儲(chǔ)能及電源管理三個(gè)方面的問(wèn)題。

2.電源系統(tǒng)總體方案

針對(duì)低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電而導(dǎo)致整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期短的問(wèn)題，討論設(shè)計(jì)一種高頻信號(hào)能量自捕獲電源系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。核心思想是接收環(huán)境中不能被利用的那部分電磁波能量，并將其轉(zhuǎn)換積累為直流電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件中，而存儲(chǔ)有足夠電能的儲(chǔ)能元件就作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源，以使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的供電。

根據(jù)環(huán)境中的電磁波分布情況，選擇其中空間輻射場(chǎng)強(qiáng)較大的波段進(jìn)行接收，進(jìn)行接收天線的設(shè)計(jì)與制作，以提取較大的穩(wěn)定能量。設(shè)計(jì)整流倍壓電路將天線接收到的微弱的交流電能轉(zhuǎn)化為電壓值較高、能量較大的直流電能。最后，選擇合適的儲(chǔ)能元件將接受和轉(zhuǎn)換得到的電能進(jìn)行儲(chǔ)存。即如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2.1 環(huán)境電磁波的分析

自然環(huán)境中的電磁波有522-1700kHz的AM廣播信號(hào),87.5—108MHz的FM廣播信號(hào)，數(shù)百M(fèi)Hz的TV信號(hào)，900/1800/1900MHz的GSM信號(hào)，1880—1920MHz、2010-2025MHz的3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，2.4GHz的ISM信號(hào)等。由于手機(jī)信號(hào)更加廣泛且穩(wěn)定，故該系統(tǒng)選擇的工作頻段考慮以手機(jī)信號(hào)為主，即900/1800/1900MHz的GSM信號(hào)，1880-1920MHz、2010-2025MHz的3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)[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(jiǎn)單，且雙頻微帶天線相對(duì)帶寬比較寬，調(diào)試也方便，所以選此天線接收信號(hào)。

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(shí)間較長(zhǎng)，輸出電壓紋波小，并且輸出電壓比較穩(wěn)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(shí)現(xiàn)高電壓輸出必須采用高耐壓的電容，尤其是最后一級(jí)電容的耐壓為輸出電電壓值。因此，當(dāng)倍壓倍數(shù)高的情況下，在選擇電容時(shí)對(duì)電容的耐壓要求較高。由于本次電路設(shè)計(jì)所需要的升壓倍數(shù)不是特別的高，所以信克爾倍壓整流電路可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[2]。

2.4 儲(chǔ)能及電源管理方案

電容儲(chǔ)能是最常用的能量存儲(chǔ)方法,但電容容量通常很小,因而存儲(chǔ)下來(lái)的電量不多。電容存儲(chǔ)一般應(yīng)用在超低功耗的系統(tǒng)中,對(duì)于一些功耗稍高的應(yīng)用,電容存儲(chǔ)已無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的能量需求。隨著材料科學(xué)和制作工藝的發(fā)展,超級(jí)電容(Super Capacitor)應(yīng)運(yùn)而生。一般而言,超級(jí)電容的容量可以達(dá)到法拉級(jí)別,保證擁有了足夠的存儲(chǔ)空間，能夠滿(mǎn)足功耗稍高的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。電容存儲(chǔ)能量的過(guò)程實(shí)際上是電容充電的過(guò)程,在電容充電的過(guò)程中,電容對(duì)輸入的電流電壓沒(méi)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(shè)計(jì)中儲(chǔ)能方式就采用超級(jí)電容進(jìn)行存儲(chǔ)。

能量管理模塊負(fù)責(zé)合理利用收集到的能量。由于該系統(tǒng)屬于低功耗對(duì)能量的要求較高，因此考慮使用低功耗單片機(jī) MSP430通過(guò)軟件編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)一種睡眠與喚醒節(jié)能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能量的管理，從而降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗要求[3]。能量管理部分設(shè)計(jì)方案如下：通過(guò)電源管理電路控制節(jié)點(diǎn)的工作和休眠狀態(tài)。從電容收集到的能量經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片后提供給MSP430工作。在充電電路為電容充電的過(guò)程中，電量檢測(cè)芯片可以時(shí)刻檢測(cè)電容的電壓值。當(dāng)檢測(cè)到電容的電壓達(dá)到一定值時(shí)， MSP430單片機(jī)將從睡眠狀態(tài)下喚醒，通過(guò)三極管控制LED燈的亮與滅，以驗(yàn)證微型傳感器能量自捕獲電源可以為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.5 電源系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)的接收天線采用雙頻微帶天線，整流倍壓電路采用十級(jí)的信克爾整流倍壓電路，儲(chǔ)能模塊采用超級(jí)電容，電能管理模塊采用低功耗的單片機(jī) MSP430 作為控制芯片,對(duì)電能的使用進(jìn)行控制[4]。在總體的設(shè)計(jì)中接收天線設(shè)計(jì)成四個(gè)方向的陣列形式，對(duì)應(yīng)的倍壓整流電路也設(shè)計(jì)為四個(gè)陣列形式，也就是能量接收和整流倍壓陣列同時(shí)為同一個(gè)儲(chǔ)能元件充電，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.電源系統(tǒng)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(lái)的，它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)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(jù)不同的要求設(shè)計(jì)成各種形狀。微帶天線具有質(zhì)量輕、體積小和易于制造等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無(wú)線通信中[5]。微帶天線的輻射是由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的[6]。對(duì)微帶線不連續(xù)性的輻射分析是以微帶開(kāi)路端和地板所構(gòu)成的口徑場(chǎng)為基礎(chǔ)，基于導(dǎo)體中流動(dòng)的電流進(jìn)行的，這個(gè)分析是也可用來(lái)計(jì)算輻射對(duì)于微帶諧振器品質(zhì)因數(shù)的影響。按此分析，輻射對(duì)于總品質(zhì)因數(shù)的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對(duì)介電常數(shù)及基片厚度的函數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高頻時(shí)，輻射損耗遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗。還證明，在用厚的且介電常數(shù)較低的基片時(shí)，開(kāi)路微帶線的輻射更強(qiáng)。

3.1.2 雙頻微帶天線具體參數(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的接收天線是雙頻微帶的同軸線饋電天線，它的兩個(gè)中心工作頻率分別是915MHz和1800MHz。獲得雙頻工作的一種最簡(jiǎn)單的方法是輻射貼片的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率諧振，其寬度對(duì)應(yīng)另一個(gè)頻率諧振，然后從對(duì)角線的一角饋電，就能使同一個(gè)輻射貼片工作于兩個(gè)頻率上。

接收天線具體參數(shù)初步設(shè)計(jì)：

（1）介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹(shù)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(jì)：介質(zhì)基片采用采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹(shù)板，所以天線設(shè)計(jì)基本參數(shù)厚度h=1.6mm，介質(zhì)的介電常數(shù)εr=4.4。對(duì)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(zhǎng)度L，通過(guò)天線理論知識(shí)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算可以求得當(dāng) f=915MHz時(shí)，輻射貼片寬度：w=99.8mm，輻射貼片長(zhǎng)度：L=77.9mm，有效介電常數(shù)：εr=4.26，等效縫隙寬度：L=0.75mm；當(dāng)f=1800MHz時(shí)，輻射貼片寬度：w=50.72mm，輻射貼片長(zhǎng)度：L=39.4mm，有效介電常數(shù)：εr=4.15，等效縫隙寬度：L=0.75mm。

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

以上設(shè)計(jì)和計(jì)算都是理論層面的，各個(gè)參數(shù)的值并不是最優(yōu)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(fù)半周時(shí)，導(dǎo)通，被充電至峰值=U1，不充電，第一個(gè)負(fù)半周充電完成；當(dāng)正半周時(shí)，由于反向，因此不導(dǎo)通，電路通過(guò)正向的向充電，所以?xún)啥穗妷簽殡娫措妷号c兩端電壓串聯(lián)之和，則輸出電壓U輸出=-2U1。同理，我們?cè)谄浠A(chǔ)之上增加電路級(jí)數(shù)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(chǔ)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(hào)，其能量相對(duì)較小，不能直接為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行整流升壓并積累。本設(shè)計(jì)使用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，通過(guò)電容收集并且儲(chǔ)存產(chǎn)生的能量。

3.3.1 儲(chǔ)能原理分析

超級(jí)電容器(Supercapacitor),又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器、法拉電容、黃金電容,是一種建立在德國(guó)物理學(xué)家Helmholz提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種電化學(xué)元件[7],但儲(chǔ)能過(guò)程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能,且儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的,因此超級(jí)電容器可以反復(fù)充、放電數(shù)十萬(wàn)次[8]。作為新興的儲(chǔ)能器件,超級(jí)電容器具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速度快、充放電效率高、高低溫性能好、能量檢測(cè)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)：

超級(jí)電容容值的確定：超級(jí)電容作為整個(gè)系統(tǒng)的電源，其所存儲(chǔ)的電能必須能夠使整個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足正常工作需求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)休眠與喚醒模式，也就是在開(kāi)始時(shí)單片機(jī)工作于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)不斷地為超級(jí)電容充電，當(dāng)休眠狀態(tài)的單片機(jī)檢測(cè)到超級(jí)電容所充的電能達(dá)到一定值時(shí)，單片機(jī)就從休眠狀態(tài)被喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。單片機(jī)被喚醒后進(jìn)入工作狀態(tài)每次工作60秒，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。MSP430單片機(jī)正常工作時(shí)，電壓設(shè)定為3.0V時(shí)的電流為20mA。在理想條件下，單片機(jī)正常工作 60秒耗能為 E=U×I×t=3.0×20×10-3×60=3.6J，根據(jù)電容充電能量的關(guān)系 E=(C×U2)/2,可計(jì)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(tǒng)的電能管理

電源管理模塊設(shè)計(jì)主要是考慮到功耗，休眠狀態(tài)中單片機(jī)可以檢測(cè)儲(chǔ)能元件的電壓，當(dāng)儲(chǔ)能元件的電壓滿(mǎn)足一定值后，單片機(jī)從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，單片機(jī)工作 60秒后又自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。該電路主要功能就是檢測(cè)儲(chǔ)能元件的電能以及調(diào)整單片機(jī)的工作模式，控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的超低功耗的MSP430單片機(jī)[10]。

MSP4301單片機(jī)的主要性能如下：

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

（2）強(qiáng)大的處理能力。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的 27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。

（3）高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。

（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定。運(yùn)行環(huán)境溫度為-40-+85攝氏度，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，

（5）運(yùn)算速度快。MSP430系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns的指令周期。

（6）方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

3.4 電源系統(tǒng)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(chǔ)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(tǒng)軟件

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要思路如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先，進(jìn)行初始化設(shè)置，單片機(jī)首次檢測(cè)儲(chǔ)能元件兩端的電壓，當(dāng)電壓滿(mǎn)足一定的值后，單片機(jī)從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，單片機(jī)調(diào)用內(nèi)部的溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)玫江h(huán)境的溫度后，與系統(tǒng)設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，最后單片機(jī)控制LED等作出顯示，等工作60s后單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，完成一次工作循環(huán)。即如圖6程序流程。

5.結(jié)論

本文針對(duì)微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)的研究，分別從系統(tǒng)總體方案的設(shè)、電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)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(zhì)上提高系統(tǒng)的能量輸入。從微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)的整體角度來(lái)講，考慮到接收電磁波的方向性，我們?cè)O(shè)計(jì)的主電路板劃分了四個(gè)方向，分別在東西南北四個(gè)方向進(jìn)行能量的獲取。相應(yīng)的我們也設(shè)計(jì)了四個(gè)方向的整流倍壓電路，從四個(gè)方向，和四個(gè)接收天線上進(jìn)行能量的獲取。在能量的輸入部分我們?cè)O(shè)計(jì)的接收天線是雙頻率的這樣可以從根本上提高系統(tǒng)的能量輸入。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，盡可能多的考慮到所有的細(xì)節(jié)問(wèn)題，通過(guò)理論研究和模型分析，本系統(tǒng)完全可以達(dá)到理想的結(jié)果，但是實(shí)際中，仍需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)系統(tǒng)加以改進(jìn)。

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