物联网传感节点的无线供电技术研究

引言

　　物联网(Internet of Things)的概念最早于1999年由麻省理工的一批研究人员提出，其本意是“物物相连的互联网”。物联网是通过射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、红外感应器、无线传感器网络(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国内外专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

　　目前，物联网中的各传感节点基本都采用纽扣电池供电。虽说节点功耗都很低，纽扣电池可用一到两年甚至更长时间，但是这给节点的维护和节点在恶劣环境下的生存带来了麻烦和挑战。如果能利用电磁波给这些低功耗节点供电，那么将可以彻底摆脱电源线和电池的束缚，适应任何环境，并且真正做到无需维护、无人值守。本研究就是要利用射频技术为诸多微功耗节点提供可靠能源，保证其全天候工作。

　　1无线供电技术简述

　　无线供电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，但是远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。其中美国Powercast公司开发出了一套适用于传感器网络的无线输电收发模块，目前已经准备进行商业化推广。

　　现在学术组织对无线电电力供给归纳了3种方式：电磁感应型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)、电波接受型(电力转换成电波近程无线供电)、磁场共鸣型(利用磁场等共鸣效应近程无线供电)。其中电磁感应型电能传输效率最高、功率最大，磁场共鸣型次之，电波接受型最弱；但是，作用距离大小却是正好相反，并且摆放的自由度也是电波接受型占优。对于需要应用的场景，显然电磁波接受型更符合要求，功率小，距离远，在一定半径范围内可以随意摆放。虽然其电源传输效率比较低，但是与使用碱性电池相比，即使供电效率只有1%，还是更加划算，因为一次性电池的电能成本是电网电能的350倍。另外，废旧电池会给环境造成巨大的破坏，物联网正在迅猛发展之中，随着普及度的提高，需要的电池也就越来越多，对环境造成的污染还是很可观的。

　　综上所述，研究应用于物联网节点的电磁波无线供电技术对物联网的进一步发展，对生态环境的保护，对物联网在更广阔范围及领域的应用都有十分重要的积极意义。

　　2 无线供电模型

　　物联网传感节点一般在一定的区域内分散部署，并以一定的拓扑结构进行数据交换以及通信。在一定数量的节点中会有一个或者几个主节点，或者称为协调器节点，进行数据的汇聚以及通信协议的管理。可以借用这样的主节点作为电磁能量的供体，其他从属于它的从节点为能量的受体，构成一种广播式的无线射频能量传输系统。

　　系统总体结构示意图如图1所示。圆形区域内为主节点T电磁波辐射有效作用范围，在该区域内不规则地分布着若干个从节点。任意一个从节点Ri都可以从主节点天线辐射出的电磁波能量中得到可供自己工作的电能，一般作用半径为3 m。如果在更广阔的区域内进行类似部署，就需要多个主节点来提供能量，由若干个相交或者相切的半径为3 m的圆形区域组成一个庞大的系统区间。

引言

　　物联网(Internet of Things)的概念最早于1999年由麻省理工的一批研究人员提出，其本意是“物物相连的互联网”。物联网是通过射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、红外感应器、无线传感器网络(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国内外专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

　　目前，物联网中的各传感节点基本都采用纽扣电池供电。虽说节点功耗都很低，纽扣电池可用一到两年甚至更长时间，但是这给节点的维护和节点在恶劣环境下的生存带来了麻烦和挑战。如果能利用电磁波给这些低功耗节点供电，那么将可以彻底摆脱电源线和电池的束缚，适应任何环境，并且真正做到无需维护、无人值守。本研究就是要利用射频技术为诸多微功耗节点提供可靠能源，保证其全天候工作。

　　1无线供电技术简述

　　无线供电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，但是远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。其中美国Powercast公司开发出了一套适用于传感器网络的无线输电收发模块，目前已经准备进行商业化推广。

　　现在学术组织对无线电电力供给归纳了3种方式：电磁感应型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)、电波接受型(电力转换成电波近程无线供电)、磁场共鸣型(利用磁场等共鸣效应近程无线供电)。其中电磁感应型电能传输效率最高、功率最大，磁场共鸣型次之，电波接受型最弱；但是，作用距离大小却是正好相反，并且摆放的自由度也是电波接受型占优。对于需要应用的场景，显然电磁波接受型更符合要求，功率小，距离远，在一定半径范围内可以随意摆放。虽然其电源传输效率比较低，但是与使用碱性电池相比，即使供电效率只有1%，还是更加划算，因为一次性电池的电能成本是电网电能的350倍。另外，废旧电池会给环境造成巨大的破坏，物联网正在迅猛发展之中，随着普及度的提高，需要的电池也就越来越多，对环境造成的污染还是很可观的。

　　综上所述，研究应用于物联网节点的电磁波无线供电技术对物联网的进一步发展，对生态环境的保护，对物联网在更广阔范围及领域的应用都有十分重要的积极意义。

　　2 无线供电模型

　　物联网传感节点一般在一定的区域内分散部署，并以一定的拓扑结构进行数据交换以及通信。在一定数量的节点中会有一个或者几个主节点，或者称为协调器节点，进行数据的汇聚以及通信协议的管理。可以借用这样的主节点作为电磁能量的供体，其他从属于它的从节点为能量的受体，构成一种广播式的无线射频能量传输系统。

　　系统总体结构示意图如图1所示。圆形区域内为主节点T电磁波辐射有效作用范围，在该区域内不规则地分布着若干个从节点。任意一个从节点Ri都可以从主节点天线辐射出的电磁波能量中得到可供自己工作的电能，一般作用半径为3 m。如果在更广阔的区域内进行类似部署，就需要多个主节点来提供能量，由若干个相交或者相切的半径为3 m的圆形区域组成一个庞大的系统区间。

　　在系统正常运行状态下，主节点的工作状态是一直通电，并且一直向区域内辐射一定频率的电磁波，而从节点则不间断地从空间中吸收由主节点发出的微弱的电磁波能量。这个能量是远远不足以支撑从节点工作组件(单片机芯片、射频芯片、传感器等)实时正常工作的，故从节点的工作模式是间隙性、非实时的。


　　系统工作流程如图2所示。系统需要工作时，主节点先上电启动，而后开始向空间辐射电磁波。此时从节点处于非工作状态，但是此时从节点前端的无源电路(天线、滤波整流电路等)是在工作的，并且将得到的能量储存起来。接着由电压阈值判断电路判断电能存储器的电压是否满足负载完成一个完整的工作周期，如果满足，则向负载提供电能。待负载完成工作后，电能就不满足其工作了，就要停止运转，由前端无源器件继续进行能量收集储存，等待下一个工作周期的触发。