3.2 節(jié)點工作穩(wěn)定性分析

　　為檢測能量收集方案的正確性和可行性，設計了對環(huán)境溫度進行檢測并通過射頻單元進行定時發(fā)射通信的傳感器節(jié)點。

　　為保證傳感器節(jié)點在采集溫度數據和定時通信中長期正常穩(wěn)定工作，還要使MCU工作在允許的電壓范圍內：1.9～3.6 V，通過選擇合適的儲能電容值可以滿足這一要求。

　　一般情況下，nRF2402發(fā)射一次數據所需時間為3.5 ms，平均電流為11 mA。傳感器節(jié)點每采集一次溫度都會消耗儲能電容所儲存的電能，從而導致儲能電容兩端的電壓下降。壓降VD的計算如式(1)所示。

　　式中，CS為儲能電容的容值;IW和TW分別為射頻單元發(fā)射一次所需的平均電流和時間。計算得到VD約為0.04 V，即射頻單元工作一次后，儲能電容兩端的電壓值≥2.9 V，此值>1.9 V的MCU工作電壓下限。而儲能電容兩端電壓又不會超過3 V閾值，因此選擇1 000μF的儲能電容可以使MCU工作在允許電壓范圍內。

　　3.3 有效工作范圍計算

　　無線傳感器節(jié)點的截止工作電壓為1.9 V，截止工作電流為3 μA。在僅采用AM電波供電時，只有當能量接收天線的輸出功率>5.7 μW時才能驅動傳感器節(jié)點工作。根據本研究所使用的長10 m、距地2 m的L型天線的接收效率，空間場強需要>44 mV/m才可供傳感器節(jié)點工作。通過計算中波發(fā)射臺在空間內的電磁輻射場強分布，可以計算出有效工作范圍。

　　對于單塔中波天線，在遠場區(qū)，隨著距離的增加，輻射場強減小，可以用場強計算式(2)計算。

　　式中：r為被測位置與發(fā)射中波發(fā)射臺的距離，單位kw;P為發(fā)射機標稱功率，單位kw;G為相對于基本振子的天線增益;A為地波衰減因子，在城市地區(qū)，當高100 m的發(fā)射臺發(fā)射810 kHz電波時，A=1.39。由式(2)計算得，在距發(fā)射臺30 km的范圍內，場強可達44mV/m。因此，采用AM電波供電的無線傳感器節(jié)點可在距離中波發(fā)射臺30 km的范圍內工作。

　　4 結束語

　　研究了用于無線傳感器節(jié)點的環(huán)境電磁波能量獲取關鍵技術，設計了一種可行的供電方案。首先對所處環(huán)境電磁波頻段的能量分布進行測量分析，為能量收集電路設計提供依據。設計合理的天線和諧振電路，對信號能量進行轉換、儲存和合理放大。設計了帶有定時喚醒機制的電源管理電路，使節(jié)點在電磁波能量較少的地區(qū)也能工作。實驗測試表明，方案正確可行，可以為低功耗傳感器節(jié)點提供工作能量，完成設計的采集數據和通信任務，獲取的能量穩(wěn)定性好，可以全天候長時間工作，而且通過有效的電源管理技術，使節(jié)點可以工作在微弱電磁場環(huán)境中。采用不同形式的天線可以適應不同場合的應用需求，通過改善天線