基于RFID的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計(jì)

范祖良

摘? ?要：在短距離無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，文章利用射頻識(shí)別技術(shù)來準(zhǔn)確識(shí)別待充電設(shè)備，進(jìn)行精準(zhǔn)的ID認(rèn)證，從而判斷待充電設(shè)備的充電需求，自動(dòng)控制無(wú)線充電系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸;射頻識(shí)別;自動(dòng)控制

無(wú)線電能傳輸技術(shù)是指一種借助于物理空間中的能量載體，基于非導(dǎo)線接觸方式，實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳輸至負(fù)載側(cè)的技術(shù)[1]。近年來，便攜式電氣設(shè)備快速發(fā)展和普及，在給人們生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了新的困擾。便攜式設(shè)備需要頻繁充電。傳統(tǒng)的有線充電需要頻繁地拔插，既不安全，又容易磨損。目前，各大移動(dòng)設(shè)備廠商的充電器、電線、充電接口標(biāo)準(zhǔn)也并不完全統(tǒng)一，造成了資源的浪費(fèi)。

以智能手機(jī)為例，目前，華為、蘋果等手機(jī)都已實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電功能。但是智能手機(jī)無(wú)線充電器尚存在著諸多缺陷和不足，例如無(wú)線充電器的啟、停控制。若采用傳統(tǒng)的方法對(duì)無(wú)線充電器插頭進(jìn)行插拔以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電器的啟、停，就違背了無(wú)線充電的便捷性原則;若無(wú)線充電器插頭插上以后就不再拔下，不僅會(huì)造成不必要的電磁污染，同時(shí)，也會(huì)造成不必要的電能損失。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）的智能無(wú)線電能傳輸控制系統(tǒng)。

1? ? 智能無(wú)線電能傳輸控制系統(tǒng)的總體要求與設(shè)計(jì)

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在小功率、短距離應(yīng)用中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，將來無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)必將朝著大功率化、遠(yuǎn)距離化和智能化的方向發(fā)展，而且應(yīng)用范圍也將越來越廣泛。本文對(duì)智能無(wú)線電能傳輸控制系統(tǒng)提出以下設(shè)計(jì)要求：（1）能兼容目前市面上現(xiàn)有便攜式移動(dòng)無(wú)線充電設(shè)備。（2）能根據(jù)便攜式移動(dòng)無(wú)線充電設(shè)備的存在狀態(tài)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟、停。（3）出于節(jié)能和安全性考慮，無(wú)線充電設(shè)備能夠設(shè)置充電權(quán)限，要求具有安全性ID驗(yàn)證功能。

2? ? 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)智能控制方案設(shè)計(jì)

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的智能控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，決定了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的智能化程度。圖1為無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳輸路徑。

電能傳輸路徑中的智能控制器工作流程如圖2所示，關(guān)于智能控制器中用于判斷無(wú)線電能接收負(fù)載是否存在的設(shè)計(jì)，本文主要有以下3種方案。

2.1? 在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載終端加裝紅外對(duì)射感應(yīng)裝置

紅外對(duì)射感應(yīng)裝置主要是由紅外線接收器和發(fā)射器組成。該方案的控制核心是兩對(duì)安裝在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)邊沿的紅外對(duì)射探測(cè)裝置，當(dāng)無(wú)線設(shè)備充電區(qū)域未放置充電設(shè)備時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的紅外線被接收端接收，代表此時(shí)充電區(qū)域沒有待充設(shè)備，系統(tǒng)將不接通高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電。當(dāng)無(wú)線設(shè)備充電區(qū)域放置充電設(shè)備時(shí)，紅外發(fā)射端發(fā)射的紅外線將被待充設(shè)備阻擋，代表此時(shí)充電區(qū)域存在無(wú)線電能待充設(shè)備，系統(tǒng)接通高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，實(shí)現(xiàn)向負(fù)載進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。當(dāng)無(wú)線充電設(shè)備離開充電區(qū)域時(shí)，紅外接收端重新接到紅外線信號(hào)，切斷高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，終止電能的無(wú)線傳輸。

2.2? 在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載終端加裝壓力傳感器

壓力傳感器是一種對(duì)壓力非常敏感的元器件，能感受壓力信號(hào)并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出電信號(hào)的裝置。當(dāng)充電區(qū)域無(wú)待充電設(shè)備時(shí)，壓力傳感器輸出低電平，代表該無(wú)待充電設(shè)備;當(dāng)待充電設(shè)備放入充電區(qū)域時(shí)， 壓力傳感器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，代表存在待充電設(shè)備，系統(tǒng)控制器自動(dòng)閉合高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，開始為無(wú)線待充電設(shè)備進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸;當(dāng)待充電設(shè)備離開充電區(qū)域時(shí)，壓力傳感器系統(tǒng)輸出低電平，系統(tǒng)控制器自動(dòng)斷開高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，終止電能的無(wú)線傳輸。

2.3? 應(yīng)用RFID技術(shù)來控制無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的啟、停

RFID是一種無(wú)需接觸就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和識(shí)別的技術(shù)[2]，是一種適用于短距離的識(shí)別通信技術(shù)，可通過無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立的機(jī)械或光學(xué)接觸。RFID主要由應(yīng)答器、天線和閱讀器組成。RFID標(biāo)簽由芯片與天線組成，而每一個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼[3]。

RFID技術(shù)在無(wú)線電能待充設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用原理是：在無(wú)線設(shè)備電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載終端安裝RFID射頻信號(hào)識(shí)別器，在無(wú)線電能傳輸待充電設(shè)備上安裝RFID射頻標(biāo)簽。系統(tǒng)可以通過RFID射頻信號(hào)識(shí)別器識(shí)別對(duì)應(yīng)的RFID射頻標(biāo)簽信號(hào)，當(dāng)RFID射頻信號(hào)識(shí)別器未感應(yīng)到RFID射頻標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制器自動(dòng)斷開高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接。當(dāng)RFID射頻信號(hào)識(shí)別器感應(yīng)到RFID射頻標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制器自動(dòng)閉合高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，開始為無(wú)線待充電設(shè)備進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。當(dāng)充電設(shè)備離開充電區(qū)域，RFID射頻信號(hào)識(shí)別器無(wú)法感應(yīng)到RFID射頻標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制器自動(dòng)斷開高頻電能轉(zhuǎn)換器與市電的連接，從而實(shí)現(xiàn)終止電能的無(wú)線傳輸。

3? ? 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)智能控制方案設(shè)計(jì)分析與比較

為尋求最佳的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)對(duì)3種方案進(jìn)行分析比較。

3.1? 在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載終端加裝紅外對(duì)射感應(yīng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）安全。紅外對(duì)射探測(cè)器發(fā)射的是紅外線，不產(chǎn)生任何類型的輻射，不會(huì)對(duì)設(shè)備和人體造成傷害。（2）功耗小。（3）價(jià)格低廉。（4）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。對(duì)于系統(tǒng)放置位置的水平度等無(wú)特殊條件要求。

缺點(diǎn)：（1）抗干擾性較差。紅外對(duì)射探測(cè)器對(duì)溫度較敏感，無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在給設(shè)備充電時(shí)，不可避免地會(huì)升溫發(fā)熱，在狹小的待充設(shè)備放置區(qū)中，溫度較高容易對(duì)探測(cè)器造成干擾從而產(chǎn)生誤判。（2）不具備特定物體識(shí)別功能，容易引起誤判斷。（3）在實(shí)際使用中易受損。（4）不具備安全I(xiàn)D認(rèn)證功能。

3.2? 在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載終端加裝壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）壓力傳感器系統(tǒng)選擇性很廣。壓力傳感器系統(tǒng)種類眾多，可以根據(jù)具體需要選擇最合適的傳感器系統(tǒng)。（2）壓力傳感器自身可靠性高。（3）壓力傳感器系統(tǒng)功耗小。

缺點(diǎn)：（1）不具備特定物體識(shí)別功能，容易引起誤判斷。（2）壓力傳感器對(duì)設(shè)備放置方向和放置位置會(huì)有較嚴(yán)格的要求。（3）成本較高。（4）不具備安全I(xiàn)D認(rèn)證功能。

3.3? 應(yīng)用RFID技術(shù)來控制無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)啟、停的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，識(shí)別率高。RFID技術(shù)不需要識(shí)別器與標(biāo)簽之間有任何的機(jī)械或光學(xué)接觸。（2）成本低。（3）具備特定設(shè)備識(shí)別功能。（4）具備安全I(xiàn)D認(rèn)證功能。（5）功耗低。

缺點(diǎn)：需要在每個(gè)無(wú)線充電設(shè)備表面或內(nèi)部放置標(biāo)簽。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)以上3種設(shè)計(jì)方案的分析比較可知，智能控制器應(yīng)用RFID技術(shù)來判斷待充設(shè)備的存在情況并控制無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)啟停是最優(yōu)方案。它不僅能夠滿足本文提出的有關(guān)對(duì)智能無(wú)線電能傳輸控制系統(tǒng)提出的設(shè)計(jì)要求，而且還同時(shí)具備成本低、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)。基于射頻識(shí)別的無(wú)線充電技術(shù)具有更加廣泛的社會(huì)需求，它的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，而且有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4]。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]王婷，王菁華，萬(wàn)婷.基于RFID的便攜式太陽(yáng)能手機(jī)無(wú)線充電裝置設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2015（4）：227-229.