物聯(lián)網傳感節(jié)點的無線供電技術研究

摘要：傳統(tǒng)的物聯(lián)網傳感節(jié)點多采用電池供電，大大限制了傳感器節(jié)點在更加惡劣的環(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)釋放電路等模塊進行非接觸式的微電量傳輸。本文分析了物聯(lián)網以及無線供電在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對以上各核心電路模塊進行了設計與描述，最后總結了射頻無線供電在物聯(lián)網領域的應用前景。
關鍵詞：物聯(lián)網；無線供電；高頻放大；勢壘穩(wěn)壓；動態(tài)釋放

引言
    物聯(lián)網(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”。物聯(lián)網是通過射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外感應器、無線傳感器網絡(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮。國內外專家認為，物聯(lián)網一方面可以提高經濟效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。
    目前，物聯(lián)網中的各傳感節(jié)點基本都采用紐扣電池供電。雖說節(jié)點功耗都很低，紐扣電池可用一到兩年甚至更長時間，但是這給節(jié)點的維護和節(jié)點在惡劣環(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)點供電，那么將可以徹底擺脫電源線和電池的束縛，適應任何環(huán)境，并且真正做到無需維護、無人值守。本研究就是要利用射頻技術為諸多微功耗節(jié)點提供可靠能源，保證其全天候工作。

1 無線供電技術簡述
    無線供電技術一直是人們關心的課題，早在上世紀初，Nicola Tesla就進行過遠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，但是遠距離無線輸電技術一直在進行著。特別是近年來，便攜式電子產品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無線網絡技術與MEMS器件的發(fā)展，推動了無線供電與無線網絡技術的研發(fā)，并在理論研究和實用化技術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絡的無線輸電收發(fā)模塊，目前已經準備進行商業(yè)化推廣。
    現(xiàn)在學術組織對無線電電力供給歸納了3種方式：電磁感應型(利用電流通過線圈產生磁力實現(xiàn)近程無線供電)、電波接受型(電力轉換成電波近程無線供電)、磁場共鳴型(利用磁場等共鳴效應近程無線供電)。其中電磁感應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)。對于需要應用的場景，顯然電磁波接受型更符合要求，功率小，距離遠，在一定半徑范圍內可以隨意擺放。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，研究應用于物聯(lián)網節(jié)點的電磁波無線供電技術對物聯(lián)網的進一步發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境的保護，對物聯(lián)網在更廣闊范圍及領域的應用都有十分重要的積極意義。

2 無線供電模型
    物聯(lián)網傳感節(jié)點一般在一定的區(qū)域內分散部署，并以一定的拓撲結構進行數(shù)據(jù)交換以及通信。在一定數(shù)量的節(jié)點中會有一個或者幾個主節(jié)點，或者稱為協(xié)調器節(jié)點，進行數(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)點作為電磁能量的供體，其他從屬于它的從節(jié)點為能量的受體，構成一種廣播式的無線射頻能量傳輸系統(tǒng)。

    系統(tǒng)總體結構示意圖如圖1所示。圓形區(qū)域內為主節(jié)點T電磁波輻射有效作用范圍，在該區(qū)域內不規(guī)則地分布著若干個從節(jié)點。任意一個從節(jié)點Ri都可以從主節(jié)點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)域內進行類似部署，就需要多個主節(jié)點來提供能量，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。
    在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，主節(jié)點的工作狀態(tài)是一直通電，并且一直向區(qū)域內輻射一定頻率的電磁波，而從節(jié)點則不間斷地從空間中吸收由主節(jié)點發(fā)出的微弱的電磁波能量。這個能量是遠遠不足以支撐從節(jié)點工作組件(單片機芯片、射頻芯片、傳感器等)實時正常工作的，故從節(jié)點的工作模式是間隙性、非實時的。

    系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)需要工作時，主節(jié)點先上電啟動，而后開始向空間輻射電磁波。此時從節(jié)點處于非工作狀態(tài)，但是此時從節(jié)點前端的無源電路(天線、濾波整流電路等)是在工作的，并且將得到的能量儲存起來。接著由電壓閾值判斷電路判斷電能存儲器的電壓是否滿足負載完成一個完整的工作周期，如果滿足，則向負載提供電能。待負載完成工作后，電能就不滿足其工作了，就要停止運轉，由前端無源器件繼續(xù)進行能量收集儲存，等待下一個工作周期的觸發(fā)。

    圖3和圖4分別為主節(jié)點發(fā)射端和從節(jié)點接收端的電路框圖。由于主節(jié)點上是有單片機的，所以固定頻率的方波可以由程序控制單片機的某個引腳產生。高頻功率放大電路和發(fā)射電路主要是為高頻電磁波的產生與發(fā)射做準備，它們的核心電路為E類放大器。從節(jié)點的接收端接收到的高頻交流信號經整流濾波、勢壘穩(wěn)壓等電路后由動態(tài)釋放電路驅動負載。
3 主要電路
3．1 發(fā)射極電路
    發(fā)射極主要是將能量以高頻電磁波的方式輻射出去，并且要保證一定的輻射功率。電磁波的原始信號由單片機發(fā)出，接著高頻信號經過高頻放大器的作用被輻射出去。這里采用E類放大器(如圖5所示)作為射頻輸電系統(tǒng)的發(fā)射極，其發(fā)射距離可達10 m，實時傳輸功率在幾mW到100 mW，并且其電路結構簡單，可以做到很小，對最終產品的小型化很有好處。此外E類放大器效率高，高頻性能好，比較適合做射頻供電的發(fā)射極。因此，由E類放大器為主要組件，組成了發(fā)射極的功放以及發(fā)射電路模塊。

3．2 接收端電路
    接收端的電路主要實現(xiàn)電磁波信號向可用的穩(wěn)定電源的轉變功能，需要有濾波、整流、能量收集、能量釋放等諸多步驟。本文利用電容式電勢累加器和基于二極管設計的利用閾值判斷動態(tài)釋放電能的電路為核心組件，構成接收端的電路。該電路高頻濾波性能好，并且輸出直流電壓穩(wěn)定可靠，同時還具有防靜電功能，可以有效保護負載的超低功耗設備。

    圖6為帶ESD的電容式電勢累加電路。它利用開關陣列逐次增加輸出電壓的大小，接收電路的輸入信號為高頻的交流信號。在輸入信號的正半周，二極管D1導通，輸入信號對C1充電，此時C1的左極板為正電壓，右極板為負電壓。在輸入信號的負半周，C1相當于電池，與輸入信號串聯(lián)，此時二極管D2導通，對C2充電，C2的電壓大于C1電壓。依此類推，電壓隨著累加電路級數(shù)而逐漸累加，最后對電容C26進行充電。電容C26起到了微能量收集器的作用，應采用電容值較大的電容，例如超級電容。電容式電勢累加電路中還采用了防靜電(ESD)設計。如圖6所示，該ESD設計包括兩個三極管M1、M2。M1的源極與所述第一輸入端連接，M1的漏極、柵極及襯底引線均與所述第一輸出端連接；M2的源極與所述第二輸入端連接，M2的漏極、柵極、襯底引線均與所述第一輸出端連接。若有靜電進入電路，M1、M2導通，將高電壓釋放掉。

    電容式電勢累加電路中，最后一級累加電路中的第二電容(例如圖6中的電容C26)作為微能量收集器，存儲足夠的電荷以供負載在輸入能量較小的時刻維持正常工作所需的電源電壓。當輸入的能量較高時，電容中儲存的電荷過多，可能導致輸出給負載的電壓過高。為此，在接收端裝置中又加入了一個電能動態(tài)釋放電路，如圖7所示，包括一個電壓感應器和一個三極管M3。電壓感應器包括一組串聯(lián)的二極管(本文中為D1～D5)和一個電阻R。當此動態(tài)電能釋放電路的輸入功率較低時，動態(tài)電能釋放電路的輸入電壓較低，二極管D1～D5尚未導通，電阻R上電壓近似為0，三極管M3關斷；當動態(tài)電能釋放電路的輸入功率逐漸增大時，D1～D5導通，電阻R上的電壓逐漸增大，當電壓高于M3的開啟電壓之后，M3導通，將微能量收集器C26中多余的電荷釋放掉，從而起到穩(wěn)壓的效果。

結語
    本文主要設計了適用于物聯(lián)網中傳感器節(jié)點的射頻無線供電系統(tǒng)的具體方案以及核心電路，并分析了各電路模塊的基本原理。在設計過程中經EWB、ADS等電子及射頻仿真軟件進行了部分仿真分析以及實物實驗調試，對系統(tǒng)的電路設計進行了驗證，達到了預計設計目標。隨著MEMS技術的發(fā)展，射頻無線供電系統(tǒng)將可以做到更加微型化，傳輸效率與傳輸功率將更高，傳輸?shù)木嚯x也越來越遠。同時，物聯(lián)網傳感器節(jié)點的超低功耗技術將越來越先進，那么射頻無線供電在物聯(lián)網中的應用將越來越具有實用性，將會很快地普及與發(fā)展起來。而物聯(lián)網因為射頻無線供電技術的引入，也將爆發(fā)出更加迅猛的增長力，使本來就火熱的物聯(lián)網產業(yè)更具潛力，為國民經濟貢獻重要力量。