无线传感网电能补给技术研究

谢小军++昝继业++孙长翔

摘要：无线传感器网络由大量无线传感器构成的自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内对象信息，并将信息传送给需要的用户。针对无线传感节点供电可靠性问题，通过对磁共振技术进行研究，分析能量传输技术特性和补给技术的特点、优势与不足。根据调研与研究结果，制定无线传感网无线供电技术实现方案，保障无线传感网能源的持续稳定供给。

关键词：无线传感网络；无线供电；磁共振；电能

中图分类号：TP212.91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0097-03

无线充电技术是指具有电池的装置不需要借助于电导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术。目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。以下对当前四种主要无线充电方式进行比较。如表1所示。

考虑到无线传感网的实际应用需求，磁共振式无线供电技术，以其传输距离较远，效率高、输出功率大，可以在复杂的环境下工作的优点，非常适合在电力无线传感网中进行能量补给。

1 无线供电系统原理

磁共振式无线充电包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统，其中一个是发射装置，与能量源连接，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接受电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换。下图利用电磁共振耦合来实现无线电力传输的原理图。电磁波的频率越高其向空间辐射能量越大，传输效率越高。如图1所示。

2 系统实现

2.1 电能发射与拾取机构

无线充供电系统的原边的输入电能经过能量变换后通过能量发射机构后向受端发射，拾取线圈拾取到电能后，经过能量变换装置把高频的交流电能转化成所需要的电能。本装置研究的无线供电系统谐振频率为数百kHz、输出电压为5V、最大输出功率为0.5W，因此发射与拾取机构应满足上述参数指标要求。

高频发射与接收线圈绕法的不同决定着磁通的分布，基于磁谐振式无线电能传输技术原理的无线输电系统，其发射线圈与接收线圈在磁通的分布上应该尽量满足均匀分布。输电系统的电能发射部分所在位置，与电能接收部分所在的受电负载之间的位置直接影响着接收线圈与发射线圈之间的耦合共振关系，不同的相对位置、不同的方向磁通耦合效率不同，影响着输电效率。针对这种“磁通分布不均”的问题，可以通过研究线圈绕法来解决。提出用磁场分布特性不同的绕组，集中绕组和螺旋绕组复合，解决磁通分布不均的问题。集中绕组由一匝或多匝线圈集中绕制，螺旋绕组包含于集中绕组内，两者可位于同一平面或不同平面。由于集中绕组的磁场中间低、四周高，与螺旋绕组正好相反，组成复合绕组就可实现充电平台中的磁场均匀分布，该绕组方式的磁场仿真结果如下图2所示。

考虑到实际情况，由于更大的线圈面积更适合传输较大的距离，而当正方形的边长与圆的直径一致时，正方形面积要大于圆的面积，因此在本项目的设计中，采用了正方形的线圈绕组方式，如下图3所示。

在磁共振式无线能量传输系统中，接收端和发射端之间的能量主要通过磁场来传递，现对两线圈之间的互感进行仿真，如下图4图5所示。

2.2 高频逆变电源设计

设计发射端控制电路结构图如图6所示。发射端控制电路主要包括四个部分：ARM处理器、传感测量环节、通信环节、频率合成环节。传感测量环节可以实现对交流电压/电流的测量，并提供给ARM处理器用以判断系统是否处于谐振工作状态；通信环节主要实现和接收端电池模组管理系统的通信，用以实现对发射功率的协调控制；频率合成环节接受ARM处理器的控制信号，用以实现特定频率和相位的控制信号；ARM处理器综合分析系统的工作状态，实现对发射功率及频率的控制，并与接收端进行通信协调。

2.3 逆变桥驱动电路

相控逆变器驱动电路是相控逆变器的核心，是其将直流电压逆变为满足系统需求频率电压主要驱动力量，通过相位控制技术控制系统输出电能的方法主要依靠相控逆变器驱动电路来执行相移指令，其灵敏度是最主要的技术指标。驱动电路的核心元器件選择IXDE514SIA型电桥驱动器，该驱动器对MOS管驱动有很好的效果，其峰值电流为14A，基本满足本方案设计需求。频率合成模块通过锁相调制后的驱动信号往往带有较大的模拟信号噪声，因此频率合成模块信号需要经过光耦处理，降低系统噪声，信号通过电桥驱动器驱动由MOS管组成的桥路，调节桥路电压相位。驱动电路原理图如下图7所示。

2.4 软件控制

实际应用中，传输线圈的电容、电感会受环境影响产生参数漂移，很难使2个线圈的谐振频率相同。而传输过程中对频率的选择性较强，电源激励频率或电路参数的微小偏差也可能导致能量传输性能的下降；因此需跟踪最大功率点，通过动态调整装置的工作频率.使其工作在最大功率点，保证在线监测设备较优的工作状态。

本研究通过对发射端电流进行扫频分析，检测峰值点的个数，选择将发射端电流峰值波峰或波谷值对应的频率点作为无线供能装置的工作频率点，以获取最大输出功率。发射端控制电路的原理图如下图8所示。发射端由控制用单片机MCU控制数字式频率发生器模块DDS产生方波频率信号，通过逆变电路给发射线圈供电，通过设定DDS控制字，调节装置工作频率；电流传感器采集发射端逆变前的直流电流经低通滤波后送至MCU。

3 结语

本文系统地描述了磁共振无线传输技术，通过对无线传感网的能量补给技术进行了相关研究，考虑到无线传感网的实际需求，分析和总结了其普适性与局限性。综合分析，利用共振式无线供电技术对无线传感网进行供电的可行性和实用性较强。针对共振式无线供电技术，提出解决方案，实现高效稳定的无线电能传输，保障无线传感网络可靠运行。

参考文献

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[2]卞雷祥，文玉梅，李平. 微型传感器自供能技术[J].仪器仪表学报，2006，S1：297-298.

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