物聯網節點間能量無線傳輸方法研究

張川　肖明旺　萬雨桐　李廷

摘 要

無線能量傳輸，即用電設備以非接觸方式從固定電網獲取電能的技術，一直是近年來物聯網方面研究的熱點。一個多世紀以來不斷有國內外的學者對此進行研究。一些小型的無線能量傳輸設備已經被制造出來，但在規模和能量傳輸方面的效率卻很低。本文通過分析現有的無線能量傳輸技術和國內外相關研究的現狀，提出一些在無線能量方面的想法，以提高無線能量傳輸的效率。

【關鍵詞】物聯網 無線能量 傳輸 電磁波

1 研究背景分析

無線能量傳輸是指能量從能量源節點傳輸到受電節點的過程。在傳統能量傳輸中我們使用有線方式來實現能量的傳輸，有線能量傳輸有很多的優點，例如，可以保證能量傳輸的效率，可以人為地控制能量傳輸的方向。但與此同時，有線能量傳輸也帶來了很多的問題，如在布線過程中資源的損耗，布線時人力消耗，特別是在山區或者交通不便的區域，設置電線帶來的巨大的人力消耗，同時也為施工人員帶來了巨大的安全隱患。因此，無線能量傳輸越來越受到人們的青睞也成為了近年來物聯網領域的研究熱點之一。相比于有線傳輸，無線能量傳輸可以明顯降低資源和人力的消耗，同時在農業、通信、軍事等領域都有巨大的應用前景。

2 無線能量傳輸的原理與分類

物聯網節點間無線能量傳輸系統主要由能量發射源節點，能量受電節點，能量發射天線等幾部分組成。與無線通信系統相似，無線能量傳輸同樣使用無線電波作為能量的載體，由能量發射源節點經由天線發射出載有能量的無線電波，再由受電節點將其接收，這樣就完成了無線能量傳輸的過程。

無線能量傳輸大致可以分為三類：第一類是應用電磁感應技術，在傳統變壓器的基礎上的基礎上進行改進，變壓器兩側分離，實現非接觸的短程電能傳輸；第二類是以微波或激光的形式，通過發送和接收天線，實現遠程能量傳輸；第三類是通過非輻射電場或磁場耦合的電磁諧振原理，實現中距離的無線電能傳輸。

3 國內外無線能量傳輸的現狀

在無線能量傳輸領域率先做出重大突破的是麻省理工學院的Soljacic助理教授。在2007年，由他領導的研究小組成功地將一盞近距離外的60w燈泡點亮，并且將效率提升到了40%，他的實驗驗證了所提出的無限能量傳輸方式的可行性，并且將效率提升到了一個新的高度，由此人們看到了無線能量傳輸在實際生活中的可行性。

繼Soljacic領導的研究小組取得突破后，美國內達華雷電實驗室的G.E.Leyh等在耦合諧振無線能量傳輸實驗上也取得了矚目的成就，他用兩個空心變壓器作為無線能量傳輸的發射與接收端，變壓器與電極連接，成功地將800w的電力用無線的方式傳輸到5m遠的距離。

國內在無線能量傳輸領域也取得了很大的進展。其中比較顯著的是華南理工大學張波教授課題組的研究，他們提出了諧振耦合電能無線傳輸技術，即利用兩個發生諧振耦合的電路捕捉隨距離衰減的電磁場的技術。此外中山大學的朱允中教授也在無線能量傳輸方面提出了一種新的系統，極大地拓寬了無線傳輸領域的應用范圍。

4 物聯網節點能量無線傳輸面臨的挑戰

雖然近年來無線能量傳輸領域取得了極大地發展，研究的人員和機構也不斷地增加，各項研究成果也如雨后春筍般地涌現，但結合近幾年研究的成果，我們不難看出現今無線能量傳輸領域依舊面臨著很多的挑戰：

4.1 無線能量傳輸的距離和效率問題

無線能量傳輸可以解決有線能量傳輸的很多問題，極大地減小資源和人力的消耗，降低能量傳輸的成本，但是卻存在不可避免的效率問題。由于無線能量傳輸以無線電波為載體，在電磁波的傳遞過程由于傳播方向的不確定性和電波在傳播過程中受到的干擾與反射問題，極易出現能量的損耗，隨著傳輸距離的增加，能量傳輸的效率必然也會出現急劇的下降。

4.2 物聯網節點分布與效率問題

物聯網節點設備一般較小，且在實現物聯網節點無線能量傳輸系統時，設置的節點較多，不同節點之間能量的傳輸極易產生電磁波的干擾，影響能量傳輸的效率。

4.3 節點傳輸容量與效率問題

由于受到節點體積和傳輸容量的限制，在節點之間實現無線能量傳輸的過程中其傳輸容量的限制也會對傳輸效率產生較大的影響。

4.4 能量傳輸的安全性和可靠性

無線能量傳輸以電磁波為載體進行能量的傳遞，與無線通信系統一樣，在傳播過程中同樣會面臨電磁波之間的干擾與電波被截獲的問題，可能會出現電磁波的失真與丟失竊取問題，因此在安全性與能量傳輸的可靠性方面也會帶來嚴峻的挑戰。

5 節點無線能量傳輸新的想法

經過之前的分析，我們可以發現對于物聯網節點無線傳輸技術，面臨的主要問題是在能量傳輸距離與效率方面的挑戰。于是我們提出了一種新的思路供大家參考。

考慮到物聯網節點間的無線能量傳輸主要是在節點之間進行，且能量主要由電磁波為載體來進行傳遞。載有能量的電磁波由源節點發射，被受電節點接收，能量的損耗主要發生在傳播的過程，因此我們可以在能量傳輸的過程間布置過渡節點，能量由源節點發射后傳遞給過渡節點，過渡節點接收電磁波后以電磁波共振的原理將電波向下一個過渡節點進行傳遞，通過共振傳遞電磁波可以讓電磁波在盡可能不失真的情況下將電磁波傳得更遠，以此達到降低傳輸過程中能量損耗的問題。

6 總結

無線能量傳輸不僅在物聯網領域可以產生劃時代的成就，在其他如醫療、Adhoc網絡節點分布、農業、軍事等領域也有著廣闊的應用前景。由于無線能量傳輸主要是利用電磁波進行能量的傳輸，因此可以避免有線能量傳輸和電池供電設備出現的很多問題，現今一些短距離無線能量傳輸設備已經制造出來并投入實驗使用中，如果可以在傳輸距離與效率上取得更大的突破，那么無線能量傳輸將在更廣闊的領域發揮更加重要的作用。

作者單位

大連理工大學軟件學院 遼寧省大連市 116600endprint