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

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

針對低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點采用電池供電而導(dǎo)致整個傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)計方案。在設(shè)計中，分析了環(huán)境中電磁能穩(wěn)定存在的特點，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，并以雙頻微帶天線為核心設(shè)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(wǎng)絡(luò)已成為 21世紀的幾大技術(shù)之一，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器供電成了發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須克服的難點。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點供電問題提出了一種微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)方案來解決這一問題，重點研究了接收天線的設(shè)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(tǒng)總體方案

針對低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點采用電池供電而導(dǎo)致整個傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期短的問題，討論設(shè)計一種高頻信號能量自捕獲電源系統(tǒng)來解決這一問題。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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源，以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點可以實現(xiàn)長久的供電。

根據(jù)環(huán)境中的電磁波分布情況，選擇其中空間輻射場強較大的波段進行接收，進行接收天線的設(shè)計與制作，以提取較大的穩(wěn)定能量。設(shè)計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，選擇合適的儲能元件將接受和轉(zhuǎn)換得到的電能進行儲存。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,87.5—108MHz的FM廣播信號，數(shù)百MHz的TV信號，900/1800/1900MHz的GSM信號，1880—1920MHz、2010-2025MHz的3G網(wǎng)絡(luò)信號，2.4GHz的ISM信號等。由于手機信號更加廣泛且穩(wěn)定，故該系統(tǒng)選擇的工作頻段考慮以手機信號為主，即900/1800/1900MHz的GSM信號，1880-1920MHz、2010-2025MHz的3G網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(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現(xiàn)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(shù)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(shè)計所需要的升壓倍數(shù)不是特別的高，所以信克爾倍壓整流電路可以滿足設(shè)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(yīng)用在超低功耗的系統(tǒng)中,對于一些功耗稍高的應(yīng)用,電容存儲已無法滿足系統(tǒng)的能量需求。隨著材料科學(xué)和制作工藝的發(fā)展,超級電容(Super Capacitor)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(shè)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(zé)合理利用收集到的能量。由于該系統(tǒng)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(shè)計一種睡眠與喚醒節(jié)能機制，實現(xiàn)對系統(tǒng)能量的管理，從而降低傳感器節(jié)點的功耗要求[3]。能量管理部分設(shè)計方案如下：通過電源管理電路控制節(jié)點的工作和休眠狀態(tài)。從電容收集到的能量經(jīng)過穩(wěn)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(tài)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(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點供電。

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(shè)計中接收天線設(shè)計成四個方向的陣列形式，對應(yīng)的倍壓整流電路也設(shè)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(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年提出來的，它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質(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，現(xiàn)今，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個人無線通信中[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產(chǎn)生的[6]。對微帶線不連續(xù)性的輻射分析是以微帶開路端和地板所構(gòu)成的口徑場為基礎(chǔ)，基于導(dǎo)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(zhì)因數(shù)的影響。按此分析，輻射對于總品質(zhì)因數(shù)的影響可描述為諧振器尺寸、工作頻率、相對介電常數(shù)及基片厚度的函數(shù)。理論和實驗結(jié)果表明，在高頻時，輻射損耗遠大于導(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，開路微帶線的輻射更強。

3.1.2 雙頻微帶天線具體參數(shù)設(shè)計

本次設(shè)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(yīng)一個頻率諧振，其寬度對應(yīng)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(shù)初步設(shè)計：

（1）介質(zhì)基片采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)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(zhì)基片采用采用厚度為1.6mm的FR4環(huán)氧樹板，所以天線設(shè)計基本參數(shù)厚度h=1.6mm，介質(zhì)的介電常數(shù)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(shù)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(shù)：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(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(shè)計和計算都是理論層面的，各個參數(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：在交流電壓負半周時，導(dǎo)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(dǎo)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(lián)之和，則輸出電壓U輸出=-2U1。同理，我們在其基礎(chǔ)之上增加電路級數(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(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行整流升壓并積累。本設(shè)計使用超級電容作為儲能元件，通過電容收集并且儲存產(chǎn)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(xué)電容器、法拉電容、黃金電容,是一種建立在德國物理學(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],但儲能過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),通過極化電解質(zhì)來儲能,且儲能過程是可逆的,因此超級電容器可以反復(fù)充、放電數(shù)十萬次[8]。作為新興的儲能器件,超級電容器具有循環(huán)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(huán)保無污染等優(yōu)點：

超級電容容值的確定：超級電容作為整個系統(tǒng)的電源，其所存儲的電能必須能夠使整個系統(tǒng)滿足正常工作需求。該系統(tǒng)設(shè)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(tài)，系統(tǒng)不斷地為超級電容充電，當休眠狀態(tài)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(tài)被喚醒進入正常工作狀態(tài)。單片機被喚醒后進入工作狀態(tài)每次工作60秒，再次進入休眠狀態(tài)。MSP430單片機正常工作時，電壓設(shè)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(jù)電容充電能量的關(guān)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(tǒng)的電能管理

電源管理模塊設(shè)計主要是考慮到功耗，休眠狀態(tài)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(tài)進入工作狀態(tài)，單片機工作 60秒后又自動進入休眠狀態(tài)。該電路主要功能就是檢測儲能元件的電能以及調(diào)整單片機的工作模式，控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的超低功耗的MSP430單片機[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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的 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(shù)及豐富的片上外圍模塊。

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

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

（6）方便高效的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。

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)計的硬件電路，對系統(tǒng)的軟件進行設(shè)計。主要思路如下：當系統(tǒng)啟動后，首先，進行初始化設(shè)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(tài)進入工作狀態(tài)，單片機調(diào)用內(nèi)部的溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，當?shù)玫江h(huán)境的溫度后，與系統(tǒng)設(shè)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(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)計及軟件設(shè)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(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)的整體角度來講，考慮到接收電磁波的方向性，我們設(shè)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(yīng)的我們也設(shè)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(shè)計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)計該系統(tǒng)時，盡可能多的考慮到所有的細節(jié)問題，通過理論研究和模型分析，本系統(tǒng)完全可以達到理想的結(jié)果，但是實際中，仍需要大量的實驗來進行驗證，并對系統(tǒng)加以改進。

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