物联网传感节点的无线供电技术研究

摘要：传统的物联网传感节点多采用电池供电，大大限制了传感器节点在更加恶劣的环境中工作的可靠性。同时，大量电池的使用和更换，既浪费了人力也给环境带来了污染。射频无线供电将使传感器节点彻底摆脱传统电池供电的种种束缚与弊端，通过高频信号输出、高频放大器、势垒稳压电路、动态释放电路等模块进行非接触式的微电量传输。本文分析了物联网以及无线供电在国内外的发展现状，并对以上各核心电路模块进行了设计与描述，最后总结了射频无线供电在物联网领域的应用前景。
关键词：物联网；无线供电；高频放大；势垒稳压；动态释放

引言
    物联网(Internet of Things)的概念最早于1999年由麻省理工的一批研究人员提出，其本意是“物物相连的互联网”。物联网是通过射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、红外感应器、无线传感器网络(Wirelesssensor Network，WSN)、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国内外专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。
    目前，物联网中的各传感节点基本都采用纽扣电池供电。虽说节点功耗都很低，纽扣电池可用一到两年甚至更长时间，但是这给节点的维护和节点在恶劣环境下的生存带来了麻烦和挑战。如果能利用电磁波给这些低功耗节点供电，那么将可以彻底摆脱电源线和电池的束缚，适应任何环境，并且真正做到无需维护、无人值守。本研究就是要利用射频技术为诸多微功耗节点提供可靠能源，保证其全天候工作。

1 无线供电技术简述
    无线供电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，但是远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。其中美国Powercast公司开发出了一套适用于传感器网络的无线输电收发模块，目前已经准备进行商业化推广。
    现在学术组织对无线电电力供给归纳了3种方式：电磁感应型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)、电波接受型(电力转换成电波近程无线供电)、磁场共鸣型(利用磁场等共鸣效应近程无线供电)。其中电磁感应型电能传输效率最高、功率最大，磁场共鸣型次之，电波接受型最弱；但是，作用距离大小却是正好相反，并且摆放的自由度也是电波接受型占优。对于需要应用的场景，显然电磁波接受型更符合要求，功率小，距离远，在一定半径范围内可以随意摆放。虽然其电源传输效率比较低，但是与使用碱性电池相比，即使供电效率只有1％，还是更加划算，因为一次性电池的电能成本是电网电能的350倍。另外，废旧电池会给环境造成巨大的破坏，物联网正在迅猛发展之中，随着普及度的提高，需要的电池也就越来越多，对环境造成的污染还是很可观的。
    综上所述，研究应用于物联网节点的电磁波无线供电技术对物联网的进一步发展，对生态环境的保护，对物联网在更广阔范围及领域的应用都有十分重要的积极意义。

2 无线供电模型
    物联网传感节点一般在一定的区域内分散部署，并以一定的拓扑结构进行数据交换以及通信。在一定数量的节点中会有一个或者几个主节点，或者称为协调器节点，进行数据的汇聚以及通信协议的管理。可以借用这样的主节点作为电磁能量的供体，其他从属于它的从节点为能量的受体，构成一种广播式的无线射频能量传输系统。

    系统总体结构示意图如图1所示。圆形区域内为主节点T电磁波辐射有效作用范围，在该区域内不规则地分布着若干个从节点。任意一个从节点Ri都可以从主节点天线辐射出的电磁波能量中得到可供自己工作的电能，一般作用半径为3 m。如果在更广阔的区域内进行类似部署，就需要多个主节点来提供能量，由若干个相交或者相切的半径为3 m的圆形区域组成一个庞大的系统区间。
    在系统正常运行状态下，主节点的工作状态是一直通电，并且一直向区域内辐射一定频率的电磁波，而从节点则不间断地从空间中吸收由主节点发出的微弱的电磁波能量。这个能量是远远不足以支撑从节点工作组件(单片机芯片、射频芯片、传感器等)实时正常工作的，故从节点的工作模式是间隙性、非实时的。

    系统工作流程如图2所示。系统需要工作时，主节点先上电启动，而后开始向空间辐射电磁波。此时从节点处于非工作状态，但是此时从节点前端的无源电路(天线、滤波整流电路等)是在工作的，并且将得到的能量储存起来。接着由电压阈值判断电路判断电能存储器的电压是否满足负载完成一个完整的工作周期，如果满足，则向负载提供电能。待负载完成工作后，电能就不满足其工作了，就要停止运转，由前端无源器件继续进行能量收集储存，等待下一个工作周期的触发。

    图3和图4分别为主节点发射端和从节点接收端的电路框图。由于主节点上是有单片机的，所以固定频率的方波可以由程序控制单片机的某个引脚产生。高频功率放大电路和发射电路主要是为高频电磁波的产生与发射做准备，它们的核心电路为E类放大器。从节点的接收端接收到的高频交流信号经整流滤波、势垒稳压等电路后由动态释放电路驱动负载。
3 主要电路
3．1 发射极电路
    发射极主要是将能量以高频电磁波的方式辐射出去，并且要保证一定的辐射功率。电磁波的原始信号由单片机发出，接着高频信号经过高频放大器的作用被辐射出去。这里采用E类放大器(如图5所示)作为射频输电系统的发射极，其发射距离可达10 m，实时传输功率在几mW到100 mW，并且其电路结构简单，可以做到很小，对最终产品的小型化很有好处。此外E类放大器效率高，高频性能好，比较适合做射频供电的发射极。因此，由E类放大器为主要组件，组成了发射极的功放以及发射电路模块。

3．2 接收端电路
    接收端的电路主要实现电磁波信号向可用的稳定电源的转变功能，需要有滤波、整流、能量收集、能量释放等诸多步骤。本文利用电容式电势累加器和基于二极管设计的利用阈值判断动态释放电能的电路为核心组件，构成接收端的电路。该电路高频滤波性能好，并且输出直流电压稳定可靠，同时还具有防静电功能，可以有效保护负载的超低功耗设备。

    图6为带ESD的电容式电势累加电路。它利用开关阵列逐次增加输出电压的大小，接收电路的输入信号为高频的交流信号。在输入信号的正半周，二极管D1导通，输入信号对C1充电，此时C1的左极板为正电压，右极板为负电压。在输入信号的负半周，C1相当于电池，与输入信号串联，此时二极管D2导通，对C2充电，C2的电压大于C1电压。依此类推，电压随着累加电路级数而逐渐累加，最后对电容C26进行充电。电容C26起到了微能量收集器的作用，应采用电容值较大的电容，例如超级电容。电容式电势累加电路中还采用了防静电(ESD)设计。如图6所示，该ESD设计包括两个三极管M1、M2。M1的源极与所述第一输入端连接，M1的漏极、栅极及衬底引线均与所述第一输出端连接；M2的源极与所述第二输入端连接，M2的漏极、栅极、衬底引线均与所述第一输出端连接。若有静电进入电路，M1、M2导通，将高电压释放掉。

    电容式电势累加电路中，最后一级累加电路中的第二电容(例如图6中的电容C26)作为微能量收集器，存储足够的电荷以供负载在输入能量较小的时刻维持正常工作所需的电源电压。当输入的能量较高时，电容中储存的电荷过多，可能导致输出给负载的电压过高。为此，在接收端装置中又加入了一个电能动态释放电路，如图7所示，包括一个电压感应器和一个三极管M3。电压感应器包括一组串联的二极管(本文中为D1～D5)和一个电阻R。当此动态电能释放电路的输入功率较低时，动态电能释放电路的输入电压较低，二极管D1～D5尚未导通，电阻R上电压近似为0，三极管M3关断；当动态电能释放电路的输入功率逐渐增大时，D1～D5导通，电阻R上的电压逐渐增大，当电压高于M3的开启电压之后，M3导通，将微能量收集器C26中多余的电荷释放掉，从而起到稳压的效果。

结语
    本文主要设计了适用于物联网中传感器节点的射频无线供电系统的具体方案以及核心电路，并分析了各电路模块的基本原理。在设计过程中经EWB、ADS等电子及射频仿真软件进行了部分仿真分析以及实物实验调试，对系统的电路设计进行了验证，达到了预计设计目标。随着MEMS技术的发展，射频无线供电系统将可以做到更加微型化，传输效率与传输功率将更高，传输的距离也越来越远。同时，物联网传感器节点的超低功耗技术将越来越先进，那么射频无线供电在物联网中的应用将越来越具有实用性，将会很快地普及与发展起来。而物联网因为射频无线供电技术的引入，也将爆发出更加迅猛的增长力，使本来就火热的物联网产业更具潜力，为国民经济贡献重要力量。