微型传感器能量自捕获电源系统
一种毫微功耗的微弱能量收集电路设计
一种毫微功耗的微弱能量收集电路设计作者：韩晓婧张子佑刘锋来源：《物联网技术》2016年第09期摘要：随着物联网的发展以及传感器的广泛使用，以电池为主的无线传感器供电方式因电池的固有缺陷而备受关注。
将环境中的微弱能量转化为电能可以实现无线传感器网络节点自供电。
文中设计了一种毫微功耗的微弱能量收集电路，实验结果表明，通过收集环境中的微弱能量能够取代电池或者利用收集的能量给电池充电，从而延长电池的寿命，以解决无线传感器网络节点的供电问题。
关键词：低功耗；无线传感器；能量收集电路；自供电中图分类号：TN712.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-0090-040 引言环境中的微弱能量非常微小，但随着电子技术和制造业的发展，传感器正常工作的功耗也越来越低，收集环境中的微弱能量完全能够满足传感器正常工作的需求。
通过对微弱能量的收集来取代电池或者将收集的电能为电池供电是解决传感器供电问题的一种有效途径。
在过去的几年间，物联网技术得到了高速发展，而电源技术的进步却小得多，电池在能量的存储密度上没有太大提高[1]。
传统的无线传感器依靠电池供电来工作并以无线方式发送其测试数据[2]。
这种供电方式的优点在于比较可靠，但缺点是传感器网络节点的使用时间长短取决于供电电池的寿命[3]。
因此，研究者希望能够实现传感器的自供电，利用环境中的微弱能量取代电池或延长电池的寿命[4，5]。
环境中微弱能量的收集由于具有收集方便、来源广泛等优点，得到了研究者的极大关注，成为国际上的研究热点之一[6，7]。
本文设计了一种毫微功耗的微弱能量收集电路，利用LTC3588-1、LT3464、TLV61225三种芯片作为核心电压变换电路；LTC4071芯片为核心的充电控制电路；TPL5100芯片为核心输出控制电路设计微弱能量收集电路，将收集到的电能存储到储能装置或者直接给负载供电。
将能量收集器接入电路，验证微弱能量收集电路将收集的电能储存在锂电池中的可行性以及电路自身的低功耗。
1 微型化
1 微型化（Micro）为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。
1.1 由计算机辅助设计（CAD）技术和微机电系统（MEMS）技术引发的传感器微型化目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计（CAD）的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。
对于微机电系统（MEMS）的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。
MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。
经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究与发展，MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。
在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件[1]，[2]。
目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。
1.2 微型传感器应用现状就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等2 智能化（Smart）智能化传感器（Smart Sensor）是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。
吴健康：微感世界的领跑者
吴健康：微感世界的领跑者他是一名硕果累累的科学家。
作为中国第一批公派留学生，他曾研发出世界上最早的图像内容自适应数据压缩方法，为英皇家空军采用；他主持研发的地理信息系统，应用于黄土高原资源调查；他主持研发的世界首个人脸识别系统，为新加坡警察所试用……他更是一名执着科研成果产业化的实干家，虽然一波三折，但心中梦想依旧，就是要把自已的科研成果送进市场，实现产业化的商业应用。
他，就是中科院研究生院和中科院自动化所传感网络与应用联合研究中心主任、博士生导师，无锡微感科技有限公司董事长吴健康。
1947年1月，吴健康出生在江苏泰兴一个普通家庭，父母生育了4个女孩后，终于如愿以偿生了个男孩，在那个重男轻女的时代，一个男孩的降生，意味着传种接代有望，香火有续。
全家人希望他健康成长，故取名“健康”。
吴健康从小聪颖过人，读书用功，父母看在眼里，喜在心头，“从小看看，到老一半”，这孩子将来肯定有出息，一家人省吃俭用，刻意培养。
果然不负重望，吴健康高中毕业后考取了中国科技大学，从此，他和科学终身结缘。
目前，他已经在国际上出版了5部专著，发表了上百篇论文，获得了21个专利，他曾被欧洲最大的投资公司3i 公司称为“一位极具远见卓识的人”。
做研发，硕果累累2010年，国内最具影响力之一的深圳高新技术交流会上，人头攒动，来自世界各地的著名科研院所、跨国公司都在这里展示着各自的最新科研成果，吸引与会者的眼球。
此时无锡微感科技有限公司的展厅内，一个青年男子面对众多观众，做出坐、跳、打拳、取物、喝水等动作，面对他相隔很远的电脑屏幕上，一个“人”也在同步做着与那名青年男子分毫不差的动作，电影中的“阿凡达”仿佛在现实中复活了，现场观众一阵阵噪动，啧啧称赞，大呼神奇。
这就是吴健康教授的最新科研成果“微型传感器人体运动捕获系统”。
1970年，吴健康大学毕业后留校任教，他边教学，边从事科研活动，是中国首台100兆数字频率合成仪主要研发者；8年后，吴健康又作为中国第一批公派留学生前往英国留学，在英国，他研发出了世界上最早的图像内容自适应数据压缩方法，被英皇家空军采用；1986-1990年，他主持研发的地理信息系统，应用于黄土高原资源调查；1992-1993年，他主持研发的世界首个人脸识别系统，为新加坡警察所试用。
“微型能源采集技术”进入人们视野
“微型能源采集技术”进入人们视野
“微型能量采集”技术，顾名思义就是将身边的能量收集起来。
通俗来讲，就是利用振动、光、热以及电磁波，“收获”在我们身边的小能量。
这种技术将“丢弃循环再利用”这个概念举行了十分形象的阐述。
从广义上讲，能够采集的能源包括各种来源，比如动能（风、波、重力、振动等）、电磁能（光伏、电磁波等）、热能（太阳热能、地热、温度变幻、燃烧等）、原子能（原子核能、发射性衰变等）或生物能（生物燃料、生物质能等）。
就如上面图1显示，我们生活周围有无数能源来源，例如汽车的振动和散热，基站的电磁波，大自然的风能等。
那么对于这些能源来说，我们将他们采集的意义为何？如何采集？又如何利用呢？
意义
有人举出无数例子来证实能源采集的益处，其实我有几个很容易的例子可以描述一下。
如果你离可以供电的设备十分远，恰好你身边的笔记本、手机等终端都没有电了，此时你应当怎么办？这个时候你就会在心里想是否还有比电池解决计划更好的供电计划呢？
现在能源采集技术广泛而多样化，我们今日讲到的微型能源采集技术就是一个比较明确的可替代电池的细分市场。
其实这种能源采集的技术已经有一些产品的应用。
例如最基础的太阳能充电计算器，心脏起搏器利专心跳采集能量供电，一些运动手表利用人体的运动振动转化成为手表的电能，广播产品采纳振动能为无线电系统供电，医用测量仪器利用手持振动对仪器蓄电，在这些例子里，不难看到的应用。
固然传感转换技术只是囫囵能量采集系统的一部分。
有效的能源采集系统包括十分多的组件，如芯片（DC-DC，PMIC）、超低功耗微处理器 ()、超低功耗存储器件比如铁电存储器（FRAM）以及RF模块。
不一样的“目标”
第1页共3页。
微电子机械系统(MEMS)
Small high-resolution electrodes that
– do not degrade when passing high current levels in saline – high-density hermetic packaging – fully integrated electronics including power supplies – bidirectional high-rate data telemetry
MEMS技术
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微 型执行器、信号处理和控制电路、接口电 路、通信系统以及电源于一体的微型机电 系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领 域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有 领域，如电子、机械、光学、物理学、化 学、生物医学、材料科学、能源科学等
力 传 光 声 感 温度 化学 其它 感测量 器
研究领域
技术基础：设计、工艺加工(高深宽比多层 微结构)、微装配工艺、微系统的测量等。 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一 门非常重要的学问。人们不仅要开发各种 制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS 器件用于实际系统，并从中受益。
MEMS的分类
微传感器：
– 机械类：力学、力矩、加速度、速 度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器 – 磁学类：磁通计、磁场计 – 热学类：温度计 – 化学类：气体成分、湿度、PH值和离 子浓度传感器 – 生物学类：DNA芯片
衬底 掩膜 胶 金属 铸塑 材料
硅MEMS工艺
化学腐蚀 高深宽比深槽刻蚀 键合
体硅工艺
水下无线传感网讲解
水下无线传感器网络摘要：水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络，它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用，将在未来的海军作战中发挥重要的优势。
描述了水下无线传感器网络的研究现状，给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构，并针对水下应用的特点，分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题，最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。
关键词：水下无线传感器网络；能量；定位1．引言水下无线传感器网络是使用飞行器、潜艇或水面舰将大量的(数量从几百到几千个)廉价微型传感器节点随机布放到感兴趣水域，节点通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者。
近年来，水下无线传感器网络技术在国内外受到普遍关注，正在被广泛用于海洋数据采集，污染预测，远洋开采，海难避免，海洋监测等。
水下无线传感器网络具有传统传感器技术无法比拟的优点[1]：传感器网络是由密集型、成本低、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃；分布节点的多角度和多方位的信息融合可以提高数据收集效率并获得更准确的信息；传感网络使用与目标近距离的传感器节点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。
在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。
水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。
东南大学微机电系统-MEMS简介.
5:11 PM
14
国外MEMS 技术在引信中的应用
• MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用
美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计
5:11
5:11 PM
装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹
16
5:11 PM
单兵20 mm 高 爆榴弹微机电引信
工作时间：8小时左右 视 角 度：140度 视 距：3cm 分 辨 力：0.1mm 体 积：13mm ×27.9mm 重 量：<6g 外 壳：无毒耐酸耐碱高分子材料
图象记录仪
5:11 PM
20
影像工作站
5:11 PM
OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智 能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十 二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行，同时对经 过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携 带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达6～8小时，在 智能胶囊吞服8～72小时后就会随粪便排出体外。医生通过 影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人 整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。
5:11 PM
3
微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础， 研究、设计和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、 微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。
• 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构 并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
自供能无线传感器—整体结构
自供能无线传感器整体结构案例一：A Batteryless 19 卩W MICS/ISMmd Energy Harvesting Body Sensor Node SoC for ExG Applications本文提出了一种超低功耗的无电池自获能身体传感器节点（BSN,如图1所示。
该节点采用了130 nm CMOS工艺进行制造，拥有采集、处理和无线传输ECG（心电图）、EMG （肌电图）、EEG（脑电图）信号的能力。
此节点可在仅依靠自身从外部获取的能量的情况下，进行心电图心率提取以及心房颤动检测，而且仅耗能19 WCMOS3 2mm图1节点实图1. 节点整体结构图2给出了本文设计的BSN的系统框图，从图中可知，该节点包含四个子系统。
第一，能量获取及电源稳压模块将TEG输出的30mV电压通过升压转换器提升至稳定的1.35V。
此外，它通过稳压器向节点上的其他部分提供了五种不同的稳定电压。
第二，四通道的模拟前端进行生物信号采集，它首先通过可编程增益放大器将几卩V的生物信号进行放大，随后输入8位逐次逼近型ADC H行模数转换。
第三，模数转换后的数据输入数字信号处理子系统。
这部分包含一个传统的数字电源管理芯片（DPM、一个通用微处理器、可编程FIR滤波器、1.5KB 指令SRAM/ROM4KB数据存储器及用于心电图心率提取、心房颤动检测和脑电图频谱能量计算的硬件电路。
最后，工作在400/433MHZ MICS/ISM频带的mW以下功耗的倍频发射机以BFSK调制方式进行数据传输。
2. 能量获取及电源稳压模块由于TEG的输出电压仅有30mV所以需要一个升压转换器将30mV的输入电压升高至可用的电源电压。
此外，由于此升压斩波器需要600mV的电压用于启动内部晶振及逻辑控制电路，因此本文设计了无线射频获能电路为升压转换器提供启动电压。
图3为节点启动过程中储能电容上电压的变化情况。
进行升压 后的电压随后通过四个线性稳压器产生不同的稳定电压，供其余电路使用，如 图4所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
如图4.3所示，即为微型传感器能量自捕获电源系统总体框架图。其整体设计思路为：先由天线接收环境电磁波，经过相应的阻抗匹配电路，再进入整流电路，将交流电转化为直流，滤去杂波后。通过一定的升压技术将原本微弱的电压信号升至所需电压，并将电能存储进陶瓷电容中。在存储电容为负载充电的同时，也为处理器提供电能。由于处理器工作期间耗电量较大，所以通常处于休眠状态，待需要其工作时，将其唤醒20ms，完成数据传送再立马休眠。接收到MCU送来的数据信号后，射频收发模块会将数据发送至接收端子，以显示数据。同样射频收发芯片也需要相应的休眠机制。
4.1.2系统总体设计思路
在确定了接收波段后，系统总方案的设计已有了大方向，但是考虑到系统接到的能量极其微弱甚至只有μW级，所以为了应对这种情况，我分别设计了以下三种总体方案。
方案一：天线接收模块直接与整流电路相连，再经过储能及微处理器模块。该方案实现的前提就是天线接收到的射频能量足以驱动整流二极管。
其中微带天线属于线天线的一种，是目前应用较广泛的一种天线形式。它利用微带线或者同轴线等馈电，在导体贴片与地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。因此，微带大线也可以看作是一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于小天线的一类，符合系统设计便携性的要求。
偶极子天线是一个对称结构，传输线上的馈电电流必须是对称分布的。若是馈线采用双传输线结构，因为双传输线的电流为对称分布，所以天线的电流亦为对称分布。然而，若是馈线采用同轴线结构，因为同轴线内外导体并不对称，所以天线上的电流也不会对称分布，从而会影响天线的性能。为了保证偶极子天线上电流的平衡，通常在天线和同轴线之间插入一个不平衡到平衡的转换器，即微波巴伦，它可以将不平衡的电流转换成平衡的电流。图4.4中的三角形结构就是一个简单的微波巴伦，它可以实现不平衡到平衡的转换。
（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。
方案二：当天线接收到的的能量并不足以驱动二极管时，可以考虑加装一个临时电源，将电路驱动起来之后，再将其撤掉，让系统自主运作起来。
方案三：同样当天线接收到的的能量并不足以驱动二极管时，还可以考虑先倍压再整流，就是将接收天线输出的电压量先升至一定大小，令其足以开启二极管。
经过我们详细的分析及论证后，第三种方案首先行不通，因为如果先倍压再整流的话，我们将直接面临高频率交流电升压的问题。可是对于交流电的升压我们目前掌握的方法仅有用互感变压器一种，不过互感变压器的最高响应频率只有10MHz左右，并不满足系统设计。至于第二种方案虽然可行，但是不免有人会对该电源设备的自主供电能力提出质疑，因为系统中有储能元件的存在，临时电源的加装势必会为储能元件存留一部分电能，所以电源系统的工作能力无法得到很好地展示。而且以上我也提到过许多在无源情况下系统成功工作的例子，所以我决定先使用第一种方案，将第二种方案作为备选方案。以下我就主要介绍一下第一种方案的设计思路及整体框图。
《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。
图4.2不同时刻环境中电磁能量密度
考虑到上述情况，为了微型传感器网络节点电源更好的工作，我们应从功率较大的AM波段或GSM波段中选取应用电磁波。AM波段即为俗称的广播波段，虽然在城市环境中能量密度较大，但是在无人区并没有分布，同时我们设计的系统必须具有在无人区仍能工作的性能，所以只能考虑分布更广的GSM波段及通讯波段。在该波段中，众所周知的是900MHz的手机通讯频率，随着信息时代的到来，手机信号的覆盖区域越来越全面。所以综上所述，我们最终选定频率为900MHz的电磁波作为能量来源。
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。
设计天线的中心频率为915MHz，若在自由空间中传播，对应的工作波长约为328 mm。
（4.1）若在全部填充以FR4质的介质中传播，其对应的工作波长约为156mm。
（4.2）
若我们采用自由空间波长，则半波偶极子的长度约为164 mm。若我们采用介质中的波长，则半波偶极子的长度约为78mm。因为印刷偶极子天线同时包含介质与自由空间，所以实际的半波偶极子的长度应该介于78 mm和164mm之间，我们取二者的平均值121mm作为半波偶极子长度的初始值，然后再使用软件仿真分析出半波偶极子长度的实际值。
a.线天线：指天线结构具有线状结构特点，而且金属导线半径远小于波长的天线。如:振子天线、环天线、螺旋天线等；
b.面天线或称口径天线：指电磁波通过一定口径向外辐射的天线。如：喇叭天线、板状天线、角反射天线、抛物面天线、栅格天线、卡塞格伦天
线等；
c.天线阵:指天线的辐射单元按一定规律排列和激励(或称馈电，指馈给每个辐射单元信号的幅度和相位)的天线群体。如:美国爱国者导弹中的相控阵雷达系统、美F-22战机和俄米格-35战机的机载相控阵雷达系统、预警机、导弹和空间分集移动通信系统等。
4.2.2印刷偶极子天线
图4.4所示为设计的微带巴伦馈线印刷偶极子天线的结构模型，该天线属于半波偶极子天线的变形也是微带天线的一种。整个天线结构大致可以分为5部分，即介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面。
图4.4 印刷偶极子天线的结构模型
介质层的材质为环氧树脂玻璃纤维板(FR4)，其相对介电常数ε=4.4。在介质层的两面分别敷有良导体的金属传输线，构成偶极子天线的两个臂、微带传输线和微带巴伦线。激励信号从天线馈电点处馈入，经过微带巴伦结构和微带传输线传输到偶极子天线的两个臂。在微带传输线上，电流方向相反，因此不会辐射电磁波。在偶极子天线的两个臂上，金属片的电流方向相同，因此会辐射电磁波。由半波偶极子天线的理论分析可知，天线两个臂的总长度约为1/2个工作波长。
（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
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波段；二是考虑在无源情况下仅靠系统接收的能量能否确保整流二极管可以正常工作（即接收电压能否高于开启电压）。
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Hiroshi Nishimoto尝试收集电视信号能量给WSN供电，在距东京电视塔4 km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 Instituteof Technology)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(inkjet printers)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Philip Khoury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。
图4.3 系统整体设计方框图
4.2天线模块设计