基于LoRa+無線充電的充電無人機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石玉 雷程鑫 杜澤仁 柳海楠

摘要：本文所設(shè)計(jì)的充電無人機(jī)通過在無人機(jī)上搭載LoRa+無線通信模塊和無線充電模塊，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線充電。其中無線通信模塊用來獲取無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電量信息，并通過LoRa模塊將電量信息無線傳送給用戶端，由用戶端判斷電量是否充足。若電量充足則進(jìn)行下個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電量檢測(cè)，若電量不足則控制無人機(jī)飛至需充電的節(jié)點(diǎn)處，利用充電無人機(jī)所攜帶的無線充電模塊對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)證明，該充電無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的無線充電，且提前預(yù)判了節(jié)點(diǎn)電量狀態(tài)，減少了無人機(jī)的飛行次數(shù)。

關(guān)鍵詞：無線充電；LoRa；無人機(jī)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0257-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航運(yùn)、交通、智慧生活等方方面面發(fā)揮了重要的作用。其中物聯(lián)網(wǎng)的感知離不開各種各樣的傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)功耗低、部署密集，多數(shù)采用電池供電，部分工作在人不方便接觸的地方，如海底、火山口等。傳感器節(jié)點(diǎn)電量耗盡則退出網(wǎng)絡(luò)，壽命殆盡。為保證感知及數(shù)據(jù)采集過程正常進(jìn)行，需繼續(xù)補(bǔ)充新的傳感器節(jié)點(diǎn)。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa+無線充電的充電無人機(jī)。無人機(jī)利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。可以應(yīng)對(duì)于一些特殊環(huán)境（如火山口，高空等）進(jìn)行勘探收集信息。在無人機(jī)上裝載低功耗LoRa無線通信模塊，可通過無人機(jī)和傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信交互判斷節(jié)點(diǎn)是否需要充電。如需充電，無人機(jī)將攜帶無線充電模塊飛至需充電的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行無線充電。

2 無線充電技術(shù)及LoRa無線通信技術(shù)簡(jiǎn)介

無線充電技術(shù)是源于無線電力輸送技術(shù)產(chǎn)生的一種新型充電技術(shù)。無線充電技術(shù)利用近場(chǎng)感應(yīng)，由無線充電器將能量傳送至需要充電的設(shè)備，該設(shè)備使用接收到的能量對(duì)電池進(jìn)行充電，且為設(shè)備本身的運(yùn)作提供能量。無線充電器與充電設(shè)備之間通過電感耦合來傳送能量，因此無須電線連接，可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露[1]。本系統(tǒng)的無線充電分為兩部分，充電板給無人機(jī)充電，無人機(jī)攜帶足夠的能量再給無線傳感器節(jié)點(diǎn)充電。

LoRa是一種無線通信技術(shù)，相比于其他技術(shù)，LoRa更容易以一種低功耗的方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電，對(duì)建筑物的穿透力也很強(qiáng)。不僅如此，LoRa技術(shù)可以有效地抗擊干擾和實(shí)現(xiàn)加密，而且還可以實(shí)現(xiàn)空空距離通信，如：連接湖，河，平原，山區(qū)等。最重要的是，LoRa的成本較低[2]。基于以上幾點(diǎn)，我們選擇用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信。。

3 無線充電無人機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 無線充電模塊的設(shè)計(jì)

市場(chǎng)比較主流的無線充電技術(shù)主要有三種，即電磁感應(yīng)無線充電、無線電波無線充電、以及共振作用無線充電。本系統(tǒng)采用Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)采用了最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)。充電模塊的初級(jí)線圈通有一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端[3]。

其中，無人機(jī)上攜帶線圈1，由24V電池對(duì)其進(jìn)行供電。無線傳感節(jié)點(diǎn)處放置線圈2，與無線傳感節(jié)點(diǎn)相連，并連接有充電指示燈。當(dāng)無人機(jī)上攜帶的線圈1靠近無線傳感節(jié)點(diǎn)的線圈2時(shí)，利用線圈1的交變電磁場(chǎng)感應(yīng)線圈2進(jìn)行充電。若開始充電，則指示燈亮。

3.2 無線通信模塊設(shè)計(jì)

通過在遙控或無人機(jī)上裝載發(fā)送信號(hào)器，在無線傳感節(jié)點(diǎn)上安裝接收器，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)收發(fā)。本系統(tǒng)通過在信號(hào)發(fā)送端和接收端分別安裝LoRa通信模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用Arduino開發(fā)板搭載ESP32芯片對(duì)LoRa節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。ESP32芯片可通過I/O口采集傳感器節(jié)點(diǎn)電量信息，并將剩余電量通過開發(fā)板集成的液晶顯示屏進(jìn)行顯示。同時(shí)可通過LoRa模塊將電量信息通過發(fā)送子程序發(fā)送給發(fā)端的LoRa模塊。若電量顯示充足，則跳過此節(jié)點(diǎn)檢測(cè)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若電量顯示不足，則控制無人機(jī)飛至需充電節(jié)點(diǎn)處，利用線圈互感進(jìn)行無線充電。

3.3 整體設(shè)計(jì)

分步完成這些模塊后，需要將無線充電模塊和無線通信模塊加載在無人機(jī)上。本系統(tǒng)采用的是二次開發(fā)無人機(jī)，自帶單片機(jī)微型處理器。本系統(tǒng)中無人機(jī)直接綁定攜帶已充電的電池及充電線圈。無人機(jī)攜帶的電池可采用220V家用電進(jìn)行反復(fù)充電。無線通信模塊通過和無人機(jī)上的單片機(jī)I/O口相連，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)無線通信模塊的控制。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)旨在解決無線傳感節(jié)點(diǎn)的無線充電問題。一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能存在成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，甚至在一些惡劣的環(huán)境中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)一旦部署固定，直至壽命殆盡。通過為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電可延長(zhǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。本系統(tǒng)分別對(duì)無線充電模塊和無線通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并搭載在無人機(jī)上，較好地實(shí)現(xiàn)了這一功能。通過LoRa檢測(cè)，只需對(duì)判斷需要充電的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，同時(shí)減少了無人機(jī)的飛行次數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭言平.無線充電的關(guān)鍵技術(shù)和研究[J]. 合肥學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2012（2）.

[2]趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動(dòng)通信 2016，40（21）：50-57.

[3]J. Bernhard， K. Hietpas， E. George， D. Kuchima， and H. Reis.An interdisciplinary effort to develop a wireless embedded sensor system to monitor and assess corrosion in the tendons of prestressed concrete girders. in Proc.IEEE Topical Conf. Wireless Communication.2003， pp. 241-243.

【通聯(lián)編輯：梁書】