3 實驗測試與結果分析
3．1 AM電波能量穩(wěn)定性測試
為了評估AM電波能量的穩(wěn)定性，進行了為期7天的測試。測試中，采用5級倍壓，每隔10 min測量一次天線的輸出電壓。由于中波發(fā)射塔全天候工作，且中波主要為地波傳播，基本不會受到氣候條件的影響。實際測試結果如圖6所示，其中周三至周四有一段時間內(nèi)電壓大幅下降，經(jīng)查是中波發(fā)射臺每周的停播檢修所致。其余時間內(nèi)，輸出電壓約為7 V波動，幅值偏差不超過30％，基本按24 h呈現(xiàn)周期性變化。

針對能量收集天線和AM收音機之間的相互影響，進行了定性測試。對比普通AM收音機在天線周圍1 m范圍內(nèi)和距天線50 m處收聽電臺的效果，發(fā)現(xiàn)二者的音質(zhì)和音量基本相同。同時，兩種情況下天線輸出電壓也較穩(wěn)定。
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(shù)據(jù)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(nèi)：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(shù)據(jù)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(nèi)。
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(qū)動傳感器節(jié)點工作。根據(jù)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(jù)。設計合理的天線和諧振電路，對信號能量進行轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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，通過改善天線的接收效率、結合多種供能方式等可以使傳感器節(jié)點在離中波發(fā)射臺更遠處工作。