物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的無線供電技術(shù)研究

摘要：傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)多采用電池供電，大大限制了傳感器節(jié)點(diǎn)在更加惡劣的環(huán)境中工作的可靠性。同時，大量電池的使用和更換，既浪費(fèi)了人力也給環(huán)境帶來了污染。射頻無線供電將使傳感器節(jié)點(diǎn)徹底擺脫傳統(tǒng)電池供電的種種束縛與弊端，通過高頻信號輸出、高頻放大器、勢壘穩(wěn)壓電路、動態(tài)釋放電路等模塊進(jìn)行非接觸式的微電量傳輸。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)以及無線供電在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對以上各核心電路模塊進(jìn)行了設(shè)計與描述，最后總結(jié)了射頻無線供電在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線供電；高頻放大；勢壘穩(wěn)壓；動態(tài)釋放

引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)的概念最早于1999年由麻省理工的一批研究人員提出，其本意是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外感應(yīng)器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。國內(nèi)外專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。
目前，物聯(lián)網(wǎng)中的各傳感節(jié)點(diǎn)基本都采用紐扣電池供電。雖說節(jié)點(diǎn)功耗都很低，紐扣電池可用一到兩年甚至更長時間，但是這給節(jié)點(diǎn)的維護(hù)和節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境下的生存帶來了麻煩和挑戰(zhàn)。如果能利用電磁波給這些低功耗節(jié)點(diǎn)供電，那么將可以徹底擺脫電源線和電池的束縛，適應(yīng)任何環(huán)境，并且真正做到無需維護(hù)、無人值守。本研究就是要利用射頻技術(shù)為諸多微功耗節(jié)點(diǎn)提供可靠能源，保證其全天候工作。

1 無線供電技術(shù)簡述
無線供電技術(shù)一直是人們關(guān)心的課題，早在上世紀(jì)初，Nicola Tesla就進(jìn)行過遠(yuǎn)距離無線輸電的實驗研究，雖然該項計劃因資金等原因中途夭折，但是遠(yuǎn)距離無線輸電技術(shù)一直在進(jìn)行著。特別是近年來，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與MEMS器件的發(fā)展，推動了無線供電與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理論研究和實用化技術(shù)方面取得了初步的成果。其中美國Powercast公司開發(fā)出了一套適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線輸電收發(fā)模塊，目前已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)行商業(yè)化推廣。
現(xiàn)在學(xué)術(shù)組織對無線電電力供給歸納了3種方式：電磁感應(yīng)型(利用電流通過線圈產(chǎn)生磁力實現(xiàn)近程無線供電)、電波接受型(電力轉(zhuǎn)換成電波近程無線供電)、磁場共鳴型(利用磁場等共鳴效應(yīng)近程無線供電)。其中電磁感應(yīng)型電能傳輸效率最高、功率最大，磁場共鳴型次之，電波接受型最弱；但是，作用距離大小卻是正好相反，并且擺放的自由度也是電波接受型占優(yōu)。對于需要應(yīng)用的場景，顯然電磁波接受型更符合要求，功率小，距離遠(yuǎn)，在一定半徑范圍內(nèi)可以隨意擺放。雖然其電源傳輸效率比較低，但是與使用堿性電池相比，即使供電效率只有1％，還是更加劃算，因為一次性電池的電能成本是電網(wǎng)電能的350倍。另外，廢舊電池會給環(huán)境造成巨大的破壞，物聯(lián)網(wǎng)正在迅猛發(fā)展之中，隨著普及度的提高，需要的電池也就越來越多，對環(huán)境造成的污染還是很可觀的。
綜上所述，研究應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電磁波無線供電技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，對物聯(lián)網(wǎng)在更廣闊范圍及領(lǐng)域的應(yīng)用都有十分重要的積極意義。

2 無線供電模型
物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)一般在一定的區(qū)域內(nèi)分散部署，并以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及通信。在一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)中會有一個或者幾個主節(jié)點(diǎn)，或者稱為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯聚以及通信協(xié)議的管理?？梢越栌眠@樣的主節(jié)點(diǎn)作為電磁能量的供體，其他從屬于它的從節(jié)點(diǎn)為能量的受體，構(gòu)成一種廣播式的無線射頻能量傳輸系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圓形區(qū)域內(nèi)為主節(jié)點(diǎn)T電磁波輻射有效作用范圍，在該區(qū)域內(nèi)不規(guī)則地分布著若干個從節(jié)點(diǎn)。任意一個從節(jié)點(diǎn)Ri都可以從主節(jié)點(diǎn)天線輻射出的電磁波能量中得到可供自己工作的電能，一般作用半徑為3 m。如果在更廣闊的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行類似部署，就需要多個主節(jié)點(diǎn)來提供能量，由若干個相交或者相切的半徑為3 m的圓形區(qū)域組成一個龐大的系統(tǒng)區(qū)間。