微型传感器能量自捕获电源系统.docx

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《微型传感器能量自捕获电源系统》研究报告

侯宏录，张泽茜，周少锋，张家超

(西安工业大学光电工程学院，西安710021)

1课题研究的背景与意义

无线传感器网络大多长时间工作在无人值守状态，由于网络节点众多、分布区域广，且工作环境复杂，若采用更换电池的方式给节点补充能源，会导致由于能源补充不及时、或无法及时更换众多的分布较广的网络节点电池而引起系统无法正常工作，影响信息获取的可靠性。因此，电源供给将成为阻碍传感器网络发展及应用的瓶颈之一。

随着信息时代的到来，我们现实生活环境中会有越来越多的无线通信设备，例如中波/短波/调频广播、电视、手机、WiFi、蓝牙等，这些设备都会向外界发射电磁波；另外，环境中存在着大量由电气设备自发辐射的杂散干扰信号，例如，如电机、开关电源等。这些电磁波几乎分布在数十H至数GHz的所有频段内，因此环境中存在着无处不在、无时不有的电磁波。相比较于现有的各种环境能源，电磁波所携带的能量虽然微弱，但是具有能够提供几乎连续的永久电力，收集获取这些“无用”电磁波作为网络节点的能源，从本质上就可解决网络节点对能源不间断供给的需求，也符合政府倡导的节能减排、绿色能源的战略。

在该项目中，我们关注的是900MHz手机电磁波段。我们已用从该波段中获得的能量来供应无线传感器节点或其他应用设备工作。这个供能方法尤其针对那些位于遥远区域且其他能源如太阳能和风能不可行的传感器节点。

本文的研究基于无线充电的传感器网络的系统设计和应用分析，主要从微型传感器能量自捕获系统设计方案、系统硬件电路设计、系统软件设计三个方面详细阐述了微型传感器能量自捕获系统是如何实现的。

2国内外研究概况

在传统能源日趋匮乏的大背景下，对于环境能源的开发利用显得越来越重要。包括太阳能、风能等绿色能源已较广泛的被人利用，其产品也较为成熟。可是世界各国对环境电磁能的研究利用仍处于起步阶段。

在国外，这项技术的研究起步较早。2010年，日本的HiroshiNishimoto尝试收集电

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视信号能量给WSN供电，在距东京电视塔4km处收集到15～20μW的能量，并在为期7天

的测试中证明了电视信号能量的稳定性。2011年，美国乔治亚理工学院(Georgia

InstituteofTechnology)的研究人员成功地将撷取自半公里远的电视发射台电磁能量，驱动了一颗温度传感器。该研究团队使用了一种超宽频(ultra-wideband)天线，以利用来自不同频段的各种讯号，也借此大大提高了能量收集能力。与此同时他们更将传感器、天线与能量搜寻电路用喷墨印刷(inkjetprinters)技术整合在纸张或是软性聚合物上，使其更利于安装与携带。2013年，加拿大卡尔顿大学学生PhilipKhoury在其硕士论文中对无线传感器网络节点的整体以及各模块设计做出了详尽的理论介绍，尤其是在天线设计方面，他给出了几种接收效率极高的阵列天线，可惜由于设计太复杂、工艺太难，我们只好放弃了这几种天线的设计。

而我国对这项技术的研究几乎都处于理论阶段。2011年，西安电子科技大学的几位研究者利用810KHz的AM波段电磁能为传感器供电，该方案的研究最终也未能做出实物。2012年，浙江大学的学生江发昌在其硕士论文提出了一套完整的无线传感器网络节点的硬件设计方案，针对的接收波段是915MHz的高频信号，只是未能实现仅利用环境电磁能为节点供电的设想。

3课题研究的主要内容

该项目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计与选择、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，主要工作内容如下：

(1)确定系统总体的设计方案。由于无论在国内外，该系统的研究都处于起步阶段，可供参考的成熟的总体设计方案几乎没有，许多方案细节需要我们自己摸索论证。

(2)系统原理样机的搭建与验证。在论证过理论上的可行性后，进行实践性的实际操作是必不可少的。在实际电路设计过程中，我们首要研究超波谱(数十Hz-GHz)电磁能感应天线结构、尺寸、材料特性，以及阵列设计；随后就是解决微弱信号的自动升压问题；

最后针对超波谱范围内信号幅度与频率的特性，研究自组织寻优充电技术与模块动态管理。在上述基础上完成硬件电路板制作。

(3)完成电源系统软件电路设计。深入了解MSP430系列芯片的编程原理，掌握其开发环境，最终实现一定的休眠/唤醒机制。

4课题研究的方法

4.1系统总体设计方案

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系统整体设计方案的提出是项目实施的前提，是整个工作的起始。该系统设计方案的研究主要围绕两个方面问题：一是环境中射频能量的分析，并以此为基础确定系统利用的电磁波