微型传感器能量自捕获电源系统研究

陕西省西安市第八中学 孟凡玺

微型传感器能量自捕获电源系统研究

陕西省西安市第八中学 孟凡玺

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。在设计中，分析了环境中电磁能稳定存在的特点，研究了双频微带天线将电磁能转化为电能的响应特性，进行低频915Mhz和高频1800MHz电磁波段双频微带天线结构的研究与设计，并以双频微带天线为核心设计了低频和高频信号能量自捕获电源。

传感器；能量自捕获；双频微带天线

1.引言

无线传感器网络已成为 21世纪的几大技术之一，为无线传感器网络中的传感器供电成了发展无线传感器网络必须克服的难点。本文针对无线传感器网络中的传感器节点供电问题提出了一种微型传感器能量自捕获电源系统方案来解决这一问题，重点研究了接收天线的设计、整流倍压电路、储能及电源管理三个方面的问题。

2.电源系统总体方案

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，讨论设计一种高频信号能量自捕获电源系统来解决这一问题。核心思想是接收环境中不能被利用的那部分电磁波能量，并将其转换积累为直流电能存储于储能元件中，而存储有足够电能的储能元件就作为无线传感器网络节点的电源，以使无线传感器网络传感器节点可以实现长久的供电。

根据环境中的电磁波分布情况，选择其中空间辐射场强较大的波段进行接收，进行接收天线的设计与制作，以提取较大的稳定能量。设计整流倍压电路将天线接收到的微弱的交流电能转化为电压值较高、能量较大的直流电能。最后，选择合适的储能元件将接受和转换得到的电能进行储存。即如图1所示：

图1 系统功能框图

2.1 环境电磁波的分析

自然环境中的电磁波有522-1700kHz的AM广播信号,87.5—108MHz的FM广播信号，数百MHz的TV信号，900/1800/1900MHz的GSM信号，1880—1920MHz、2010-2025MHz的3G网络信号，2.4GHz的ISM信号等。由于手机信号更加广泛且稳定，故该系统选择的工作频段考虑以手机信号为主，即900/1800/1900MHz的GSM信号，1880-1920MHz、2010-2025MHz的3G网络信号[1]。

2.2 接收天线方案

双频微带天线的接收波段为：850—1000MHz和1710—2000MHz。由于双频微带天线获得双频工作的方法简单，且双频微带天线相对带宽比较宽，调试也方便，所以选此天线接收信号。

2.3 整流倍压模块方案

由于信克尔倍压整流电路的输出电压建立时间较长，输出电压纹波小，并且输出电压比较稳定，输出电压值较高，所以采用信克尔整流倍压电路。但采用信克尔倍压整流电路要实现高电压输出必须采用高耐压的电容，尤其是最后一级电容的耐压为输出电电压值。因此，当倍压倍数高的情况下，在选择电容时对电容的耐压要求较高。由于本次电路设计所需要的升压倍数不是特别的高，所以信克尔倍压整流电路可以满足设计要求[2]。

2.4 储能及电源管理方案

电容储能是最常用的能量存储方法,但电容容量通常很小,因而存储下来的电量不多。电容存储一般应用在超低功耗的系统中,对于一些功耗稍高的应用,电容存储已无法满足系统的能量需求。随着材料科学和制作工艺的发展,超级电容(Super Capacitor)应运而生。一般而言,超级电容的容量可以达到法拉级别,保证拥有了足够的存储空间，能够满足功耗稍高的传感器网络应用。电容存储能量的过程实际上是电容充电的过程,在电容充电的过程中,电容对输入的电流电压没有要求,即使很微弱的电压电流也能够在电容中得到累积。因此，本次设计中储能方式就采用超级电容进行存储。

能量管理模块负责合理利用收集到的能量。由于该系统属于低功耗对能量的要求较高，因此考虑使用低功耗单片机 MSP430通过软件编写程序设计一种睡眠与唤醒节能机制，实现对系统能量的管理，从而降低传感器节点的功耗要求[3]。能量管理部分设计方案如下：通过电源管理电路控制节点的工作和休眠状态。从电容收集到的能量经过稳压芯片后提供给MSP430工作。在充电电路为电容充电的过程中，电量检测芯片可以时刻检测电容的电压值。当检测到电容的电压达到一定值时， MSP430单片机将从睡眠状态下唤醒，通过三极管控制LED灯的亮与灭，以验证微型传感器能量自捕获电源可以为无线网络传感器节点供电。

图2 系统整体框图

2.5 电源系统总体方案

本系统的接收天线采用双频微带天线，整流倍压电路采用十级的信克尔整流倍压电路，储能模块采用超级电容，电能管理模块采用低功耗的单片机 MSP430 作为控制芯片,对电能的使用进行控制[4]。在总体的设计中接收天线设计成四个方向的阵列形式，对应的倍压整流电路也设计为四个阵列形式，也就是能量接收和整流倍压阵列同时为同一个储能元件充电，系统整体结构框图如图2所示。

3.电源系统硬件电路

3.1 双频微带天线

3.1.1 双频微带天线工作原理

微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面全部敷以金属薄层做接地板而成；辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。微带天线具有质量轻、体积小和易于制造等优点，现今，它已经广泛应用于个人无线通信中[5]。微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的[6]。对微带线不连续性的辐射分析是以微带开路端和地板所构成的口径场为基础，基于导体中流动的电流进行的，这个分析是也可用来计算辐射对于微带谐振器品质因数的影响。按此分析，辐射对于总品质因数的影响可描述为谐振器尺寸、工作频率、相对介电常数及基片厚度的函数。理论和实验结果表明，在高频时，辐射损耗远大于导体和介质的损耗。还证明，在用厚的且介电常数较低的基片时，开路微带线的辐射更强。

3.1.2 双频微带天线具体参数设计

本次设计的接收天线是双频微带的同轴线馈电天线，它的两个中心工作频率分别是915MHz和1800MHz。获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。

接收天线具体参数初步设计：

（1）介质基片采用厚度为1.6mm的FR4环氧树脂（FR4 Epoxy）板，天线馈电方式选择50Ω同轴线馈电。

（2）微带辐射贴片尺寸估计：介质基片采用采用厚度为1.6mm的FR4环氧树板，所以天线设计基本参数厚度h=1.6mm，介质的介电常数εr=4.4。对于工作频率为f的矩形微带天线，它的辐射贴片的宽度w，辐射单元长度L，通过天线理论知识进行参数计算可以求得当 f=915MHz时，辐射贴片宽度：w=99.8mm，辐射贴片长度：L=77.9mm，有效介电常数：εr=4.26，等效缝隙宽度：L=0.75mm；当f=1800MHz时，辐射贴片宽度：w=50.72mm，辐射贴片长度：L=39.4mm，有效介电常数：εr=4.15，等效缝隙宽度：L=0.75mm。

（3）根据双频天线理论可以估计输入阻抗为 50Ω馈电点的位置：当f=915MHz时，50Ω匹配点的初始位置： L1=20mm；当f=1800MHz时，50Ω匹配点的初始位置： L2=10.06mm。

以上设计和计算都是理论层面的，各个参数的值并不是最优的。

3.2 整流倍压电路

信克尔倍压整流电路是由电容和二极管组成，二倍压整流的信克尔电路如图3所示。其工作原理为：在交流电压负半周时，导通，被充电至峰值=U1，不充电，第一个负半周充电完成；当正半周时，由于反向，因此不导通，电路通过正向的向充电，所以两端电压为电源电压与两端电压串联之和，则输出电压U输出=-2U1。同理，我们在其基础之上增加电路级数便可得到四倍、六倍压甚至更高倍压整流电路。

图3 二倍压整流信克尔电路

3.3 储能及电源管理模块

从天线接收到的电能是交变的微弱电信号，其能量相对较小，不能直接为无线传感器网络提供工作能量。因此需要利用整流倍压模块将天线接收到的交流电能进行整流升压并积累。本设计使用超级电容作为储能元件，通过电容收集并且储存产生的能量。

3.3.1 储能原理分析

超级电容器(Supercapacitor),又叫双电层电容器、电化学电容器、法拉电容、黄金电容,是一种建立在德国物理学家Helmholz提出的界面双电层理论基础上的一种电化学元件[7],但储能过程不发生化学反应,通过极化电解质来储能,且储能过程是可逆的,因此超级电容器可以反复充、放电数十万次[8]。作为新兴的储能器件,超级电容器具有循环寿命长、充放电速度快、充放电效率高、高低温性能好、能量检测简单准确、环保无污染等优点：

超级电容容值的确定：超级电容作为整个系统的电源，其所存储的电能必须能够使整个系统满足正常工作需求。该系统设计休眠与唤醒模式，也就是在开始时单片机工作于休眠状态，系统不断地为超级电容充电，当休眠状态的单片机检测到超级电容所充的电能达到一定值时，单片机就从休眠状态被唤醒进入正常工作状态。单片机被唤醒后进入工作状态每次工作60秒，再次进入休眠状态。MSP430单片机正常工作时，电压设定为3.0V时的电流为20mA。在理想条件下，单片机正常工作 60秒耗能为 E=U×I×t=3.0×20×10-3×60=3.6J，根据电容充电能量的关系 E=(C×U2)/2,可计算电容的容值为 0.8F.所以选择1F电容[9]。

3.3.2 能量自捕获电源系统的电能管理

电源管理模块设计主要是考虑到功耗，休眠状态中单片机可以检测储能元件的电压，当储能元件的电压满足一定值后，单片机从休眠状态进入工作状态，单片机工作 60秒后又自动进入休眠状态。该电路主要功能就是检测储能元件的电能以及调整单片机的工作模式，控制芯片采用TI公司生产的超低功耗的MSP430单片机[10]。

MSP4301单片机的主要性能如下：

（1）超低功耗。MSP430系列单片机的电源采用1.8-3.6V，待机电流小于1uA，在RAM数据保持方式时耗电仅0.1uA，在活动模式时耗电250uA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大为50nA。

（2）强大的处理能力。MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。

（4）系统工作稳定。运行环境温度为-40-+85摄氏度，运行稳定，可靠性高，

（5）运算速度快。MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现 40ns的指令周期。

（6）方便高效的开发环境。开发语言有汇编语言和C语言。

3.4 电源系统的总体电路

将所有电路整合在同一块电路板上，包含整流倍压电路、能量存储及电能管理模块。电路原理图如图4所示，PCB布局如图5所示。

图5 PCB正面布局图

图6

4.电源系统软件

根据系统设计的硬件电路，对系统的软件进行设计。主要思路如下：当系统启动后，首先，进行初始化设置，单片机首次检测储能元件两端的电压，当电压满足一定的值后，单片机从休眠状态进入工作状态，单片机调用内部的温度传感器检测环境温度，当得到环境的温度后，与系统设定的温度进行比较，最后单片机控制LED等作出显示，等工作60s后单片机自动进入休眠状态，完成一次工作循环。即如图6程序流程。

5.结论

本文针对微型传感器能量自捕获电源系统的研究，分别从系统总体方案的设、电源系统硬件电路设计及软件设计三个方面进行深入的研究，相比较而言，考虑到的因素比较多，主要想从本质上提高系统的能量输入。从微型传感器能量自捕获电源系统的整体角度来讲，考虑到接收电磁波的方向性，我们设计的主电路板划分了四个方向，分别在东西南北四个方向进行能量的获取。相应的我们也设计了四个方向的整流倍压电路，从四个方向，和四个接收天线上进行能量的获取。在能量的输入部分我们设计的接收天线是双频率的这样可以从根本上提高系统的能量输入。在设计该系统时，尽可能多的考虑到所有的细节问题，通过理论研究和模型分析，本系统完全可以达到理想的结果，但是实际中，仍需要大量的实验来进行验证，并对系统加以改进。

[1]M.Arrawatia,M.S.Baghini,G.Kumar,RF Energy Harvesting from Cell Towers in 900MHz Band, National Conference on Communications (NCC),Bangalore,pp.1-5,January28-30,2011.ISBN:978-1-61284-090-1.

[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.

[4]卞雷祥,文玉梅,李平.微型传感器自供能技术[J].仪器仪表学报,2006年6月第27卷第6期增刊.Vol.27 No.6.

[5]周朝栋.天线与电波[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.5.

[6]唐伟君.超宽带平面螺旋天线的研究与设计[D].硕士学位论文,西安电子科技大学,2007.

[7]T.Ungan,L.M.Reindl,Harvesting Low Ambient RF-Source for Autonomous Measurements Systems, International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, Victoria, Canada, pp. 62-65, May 12-15, 2008.ISBN: 978-1-4244-1540-3.

[8]毕中裕.适用于射频识别标签的低功耗存储器电路研究[D].硕士学位论文.上海:复旦大学,2011.

[9]肖大帅.基于超级电容的城轨车辆再生能量存储利用系统研究[D].西南交通大学硕士论文.

[10]熊燕.MSP430微控制器的能耗计算域低功耗设计[J].重庆三峡学院学报,2005.