物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的無(wú)線供電技術(shù)研究

摘要：傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)多采用電池供電，大大限制了傳感器節(jié)點(diǎn)在更加惡劣的環(huán)境中工作的可靠性。同時(shí)，大量電池的使用和更換，既浪費(fèi)了人力也給環(huán)境帶來(lái)了污染。射頻無(wú)線供電將使傳感器節(jié)點(diǎn)徹底擺脫傳統(tǒng)電池供電的種種束縛與弊端，通過(guò)高頻信號(hào)輸出、高頻放大器、勢(shì)壘穩(wěn)壓電路、動(dòng)態(tài)釋放電路等模塊進(jìn)行非接觸式的微電量傳輸。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)以及無(wú)線供電在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)以上各核心電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與描述，最后總結(jié)了射頻無(wú)線供電在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線供電；高頻放大；勢(shì)壘穩(wěn)壓；動(dòng)態(tài)釋放

引言
    物聯(lián)網(wǎng)(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(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外感應(yīng)器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。
    目前，物聯(lián)網(wǎng)中的各傳感節(jié)點(diǎn)基本都采用紐扣電池供電。雖說(shuō)節(jié)點(diǎn)功耗都很低，紐扣電池可用一到兩年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但是這給節(jié)點(diǎn)的維護(hù)和節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境下的生存帶來(lái)了麻煩和挑戰(zhàn)。如果能利用電磁波給這些低功耗節(jié)點(diǎn)供電，那么將可以徹底擺脫電源線和電池的束縛，適應(yīng)任何環(huán)境，并且真正做到無(wú)需維護(hù)、無(wú)人值守。本研究就是要利用射頻技術(shù)為諸多微功耗節(jié)點(diǎn)提供可靠能源，保證其全天候工作。

1 無(wú)線供電技術(shù)簡(jiǎn)述
    無(wú)線供電技術(shù)一直是人們關(guān)心的課題，早在上世紀(jì)初，Nicola Tesla就進(jìn)行過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線輸電的實(shí)驗(yàn)研究，雖然該項(xiàng)計(jì)劃因資金等原因中途夭折，但是遠(yuǎn)距離無(wú)線輸電技術(shù)一直在進(jìn)行著。特別是近年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，以及傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與MEMS器件的發(fā)展，推動(dòng)了無(wú)線供電與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理論研究和實(shí)用化技術(shù)方面取得了初步的成果。其中美國(guó)Powercast公司開(kāi)發(fā)出了一套適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線輸電收發(fā)模塊，目前已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)行商業(yè)化推廣。
    現(xiàn)在學(xué)術(shù)組織對(duì)無(wú)線電電力供給歸納了3種方式：電磁感應(yīng)型(利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁力實(shí)現(xiàn)近程無(wú)線供電)、電波接受型(電力轉(zhuǎn)換成電波近程無(wú)線供電)、磁場(chǎng)共鳴型(利用磁場(chǎng)等共鳴效應(yīng)近程無(wú)線供電)。其中電磁感應(yīng)型電能傳輸效率最高、功率最大，磁場(chǎng)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(duì)于需要應(yīng)用的場(chǎng)景，顯然電磁波接受型更符合要求，功率小，距離遠(yuǎn)，在一定半徑范圍內(nèi)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?yàn)橐淮涡噪姵氐碾娔艹杀臼请娋W(wǎng)電能的350倍。另外，廢舊電池會(huì)給環(huán)境造成巨大的破壞，物聯(lián)網(wǎng)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(lái)越多，對(duì)環(huán)境造成的污染還是很可觀的。
    綜上所述，研究應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電磁波無(wú)線供電技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在更廣闊范圍及領(lǐng)域的應(yīng)用都有十分重要的積極意義。

2 無(wú)線供電模型
    物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)一般在一定的區(qū)域內(nèi)分散部署，并以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及通信。在一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)中會(huì)有一個(gè)或者幾個(gè)主節(jié)點(diǎn)，或者稱為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)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(diǎn)作為電磁能量的供體，其他從屬于它的從節(jié)點(diǎn)為能量的受體，構(gòu)成一種廣播式的無(wú)線射頻能量傳輸系統(tǒng)。

    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圓形區(qū)域內(nèi)為主節(jié)點(diǎn)T電磁波輻射有效作用范圍，在該區(qū)域內(nèi)不規(guī)則地分布著若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)。任意一個(gè)從節(jié)點(diǎn)Ri都可以從主節(jié)點(diǎn)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(nèi)進(jìn)行類似部署，就需要多個(gè)主節(jié)點(diǎn)來(lái)提供能量，由若干個(gè)相交或者相切的半徑為3 m的圓形區(qū)域組成一個(gè)龐大的系統(tǒng)區(qū)間。
    在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)是一直通電，并且一直向區(qū)域內(nèi)輻射一定頻率的電磁波，而從節(jié)點(diǎn)則不間斷地從空間中吸收由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的微弱的電磁波能量。這個(gè)能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐從節(jié)點(diǎn)工作組件(單片機(jī)芯片、射頻芯片、傳感器等)實(shí)時(shí)正常工作的，故從節(jié)點(diǎn)的工作模式是間隙性、非實(shí)時(shí)的。

    系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)需要工作時(shí)，主節(jié)點(diǎn)先上電啟動(dòng)，而后開(kāi)始向空間輻射電磁波。此時(shí)從節(jié)點(diǎn)處于非工作狀態(tài)，但是此時(shí)從節(jié)點(diǎn)前端的無(wú)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?jī)?chǔ)存起來(lái)。接著由電壓閾值判斷電路判斷電能存儲(chǔ)器的電壓是否滿足負(fù)載完成一個(gè)完整的工作周期，如果滿足，則向負(fù)載提供電能。待負(fù)載完成工作后，電能就不滿足其工作了，就要停止運(yùn)轉(zhuǎn)，由前端無(wú)源器件繼續(xù)進(jìn)行能量收集儲(chǔ)存，等待下一個(gè)工作周期的觸發(fā)。

    圖3和圖4分別為主節(jié)點(diǎn)發(fā)射端和從節(jié)點(diǎn)接收端的電路框圖。由于主節(jié)點(diǎn)上是有單片機(jī)的，所以固定頻率的方波可以由程序控制單片機(jī)的某個(gè)引腳產(chǎn)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(chǎn)生與發(fā)射做準(zhǔn)備，它們的核心電路為E類放大器。從節(jié)點(diǎn)的接收端接收到的高頻交流信號(hào)經(jīng)整流濾波、勢(shì)壘穩(wěn)壓等電路后由動(dòng)態(tài)釋放電路驅(qū)動(dòng)負(fù)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(hào)由單片機(jī)發(fā)出，接著高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(dá)10 m，實(shí)時(shí)傳輸功率在幾mW到100 mW，并且其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到很小，對(duì)最終產(chǎn)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(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)向可用的穩(wěn)定電源的轉(zhuǎn)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(shì)累加器和基于二極管設(shè)計(jì)的利用閾值判斷動(dòng)態(tài)釋放電能的電路為核心組件，構(gòu)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(shí)還具有防靜電功能，可以有效保護(hù)負(fù)載的超低功耗設(shè)備。

    圖6為帶ESD的電容式電勢(shì)累加電路。它利用開(kāi)關(guān)陣列逐次增加輸出電壓的大小，接收電路的輸入信號(hào)為高頻的交流信號(hào)。在輸入信號(hào)的正半周，二極管D1導(dǎo)通，輸入信號(hào)對(duì)C1充電，此時(shí)C1的左極板為正電壓，右極板為負(fù)電壓。在輸入信號(hào)的負(fù)半周，C1相當(dāng)于電池，與輸入信號(hào)串聯(lián)，此時(shí)二極管D2導(dǎo)通，對(duì)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(jí)數(shù)而逐漸累加，最后對(duì)電容C26進(jìn)行充電。電容C26起到了微能量收集器的作用，應(yīng)采用電容值較大的電容，例如超級(jí)電容。電容式電勢(shì)累加電路中還采用了防靜電(ESD)設(shè)計(jì)。如圖6所示，該ESD設(shè)計(jì)包括兩個(gè)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(jìn)入電路，M1、M2導(dǎo)通，將高電壓釋放掉。

    電容式電勢(shì)累加電路中，最后一級(jí)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(chǔ)足夠的電荷以供負(fù)載在輸入能量較小的時(shí)刻維持正常工作所需的電源電壓。當(dāng)輸入的能量較高時(shí)，電容中儲(chǔ)存的電荷過(guò)多，可能導(dǎo)致輸出給負(fù)載的電壓過(guò)高。為此，在接收端裝置中又加入了一個(gè)電能動(dòng)態(tài)釋放電路，如圖7所示，包括一個(gè)電壓感應(yīng)器和一個(gè)三極管M3。電壓感應(yīng)器包括一組串聯(lián)的二極管(本文中為D1～D5)和一個(gè)電阻R。當(dāng)此動(dòng)態(tài)電能釋放電路的輸入功率較低時(shí)，動(dòng)態(tài)電能釋放電路的輸入電壓較低，二極管D1～D5尚未導(dǎo)通，電阻R上電壓近似為0，三極管M3關(guān)斷；當(dāng)動(dòng)態(tài)電能釋放電路的輸入功率逐漸增大時(shí)，D1～D5導(dǎo)通，電阻R上的電壓逐漸增大，當(dāng)電壓高于M3的開(kāi)啟電壓之后，M3導(dǎo)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(jié)語(yǔ)
    本文主要設(shè)計(jì)了適用于物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻無(wú)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(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)EWB、ADS等電子及射頻仿真軟件進(jìn)行了部分仿真分析以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，射頻無(wú)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(lái)越遠(yuǎn)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的超低功耗技術(shù)將越來(lái)越先進(jìn)，那么射頻無(wú)線供電在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用將越來(lái)越具有實(shí)用性，將會(huì)很快地普及與發(fā)展起來(lái)。而物聯(lián)網(wǎng)因?yàn)樯漕l無(wú)線供電技術(shù)的引入，也將爆發(fā)出更加迅猛的增長(zhǎng)力，使本來(lái)就火熱的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更具潛力，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)重要力量。