无线充电及其在图像采集粮虫检测传感器网络中的应用*

徐联祥，杨威风

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉 430023）

无线充电及其在图像采集粮虫检测传感器网络中的应用*

徐联祥，杨威风

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉 430023）

随着科技的发展，无线充电技术在各个领域的应用也越来越广泛，比如在手机、电脑、相机、汽车等行业的部分最新产品中已经使用了无线充电技术。介绍了一种简便高效的无线充电方案，应用于埋入式图像采集粮虫检测系统，以确保传感器网络节点能够方便、安全、稳定地工作。该系统的工作环境特殊，无线充电技术有无需物理接触的优势，可以合理有效地替代传统的有线充电方法。使用高度集成的XKT-408A作为系统的发射芯片，再配合极少的外部元件就可以制作可靠稳定的无线充电器，不仅保证了无线充电的传输效率，也大大降低传感器网络节点的体积。

无线充电；传感器网络节点；粮虫检测

1 引言

中国是一个传统的农业大国，国家统计局发布关于粮食产量的公告中显示2013年全国粮食总产量为60 193.5万吨。由于粮食产量大，因而有大量粮食会入库保存，有时存储时间长达五年。据官方数据，在存储阶段损失的粮食约占总量的0.2%，这些损失高达十几亿元。因此减少粮食在存储环节中的损失，实施绿色储粮是目前国家粮食局在粮食存储工作中的重点，也是国家粮食局希望通过国际合作进一步推动的六个领域中的一个重要方面。

国家对粮食储藏非常重视，为了确保粮食的安全储藏，每年用于粮食储备方面的补贴费用就达数百亿元[1]。许多新技术及新装备在粮食储藏中得到了广泛应用，使得粮仓监控检测趋于智能化，大量传感器节点的应用是实现智能化粮仓的前提。无线充电作为一种新型的充电方式，运用到传感器节点中可以发挥其独特的优势与作用。

2 无线充电系统的原理及构成

无线电力传输是区别于有线电力传输的一种特殊电能传输方式，电能从发射端到接收端无接触，提高了用电设备获取电能的灵活性。如今市场上主流的无线充电技术主要有三种方式，即电磁感应、无线电波、共振作用。其中电磁感应充电是目前最为常用和成熟的，通过发射端和接收端的线圈进行能量耦合，从而实现电能传输[2,3]。

但是线圈之间的耦合系数较小，有较大的磁漏，故电压增益下降，传输效率低，而且其耦合系数是随着磁芯之间的距离以及有效感应面积而变化的，所以对电路的控制变得相对复杂。这也是现在无线充电没法完全取代有线充电的原因之一[4,5]。而且在电磁感应无线充电技术中，初、次级线圈相互独立，线圈的形状、大小、匝数等都会影响其耦合特性[6]。

无线充电主要由两个部分组成：发送模块和接收模块，它们之间通过分离变压器进行连接。因为高频变压器可分离，从而能量传输可以实现无电接触式。

如图1所示，220 V交流电通过变压器降压，经过桥式整流及对其滤波，变换为稳定的5~12 V直流电，再由驱动电路进行高频逆变，给分离变压器一侧的发射线圈提供高频交流电。通过一侧发射线圈与另一侧接收线圈之间感应电磁耦合将电能从发射模块传输到接收模块。接收线圈产生感应电动势，同样得经高频整流、滤波、稳压后，即可得到稳定的输出电压，为负载供电[7]。

图1 无线充电系统的结构框图

3 无线充电的设计与实现

3.1 发送电路

经过变压器降压整流后，我们可以得到稳定的5~12 V的直流电压，用以给高频逆变驱动芯片XKT-408A供电。XKT-408系列集成电路，采用CMOS制作工艺，具有精度高、稳定性好的特点，可靠性较高。

如图2所示，XKT-408A负责该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换。在5 V的直流输入下，并联一个10 μF的电解电容C2之后，保持输入直流电压稳定。T5336与XTK-408A配合可形成良好的发射控制电路，自动控制发射线圈电磁波的发射电压和频率。在XKT-408A的控制下，通过T5336输出一个可控的低电压，输入直流电压与T5336的输出低电压形成的电压差在L1和C3的回路中形成LC振荡电路。在振荡过程中由于线圈的内阻不能忽略且在能量传输过程中的能量损耗导致电路中振荡电流肯定会大幅衰减，这时通过控制T5336的输出电压，调整LC振荡电路两端的电压，用以补偿电路中阻抗和能量传输损耗的电压，使发射线圈产生高频交流电。

图2 无线充电发射电路图

3.2 接收电路

无线充电接收模块的工作原理、电路结构相比发射模块较为简单，如图3所示。通过电磁感应，接收线圈产生高频交变的感应电动势，并联补偿电容C4之后，通过肖特基二极管D1和电解电容C5进行半波整流，为大电流定制芯片T3168提供工作电压。

图3 无线充电接收电路图

芯片3引脚输出电压经稳压滤波后为负载提供平稳5 V的直流信号。输出电流大小可达500 mA，有较强的后级驱动能力，可以有效地进行充电。

3.3 线圈的设计

芯片的工作频率为0~5 MHz，在典型应用中给出的接收、发射线圈电感为30 μH，并联电容值为393 pF，通过并联谐振电路的频率计算公式得到工作频率f的值为：

考虑到线圈的趋肤效应，线圈表面电流最大，越靠近中心越小。由于多股线圈的表面积大于单股线圈，对应的等效电阻较小，线圈本身的单体损耗也较低。因此，初次级线圈使用直径为0.55 mm的漆包线绕制，线圈线径不易过粗，否则容易出现折断。用0.55 mm的漆包线在直径为3.8 cm的圆柱体上紧密绕20匝，成型后粘结固定，使之结构形状相对稳定，电感量为30 μH。

4 无线充电的运行与测试

发送模块与接收模块分别按照对应的电路图进行连接和调试，对其性能指标做出测量与评定。保证发射线圈与接收线圈同轴，接收模块输出端分别空载与接67 Ω纯电阻负载，对其输出电压进行测量，结果如图4所示。

从测试结果可以看出，接收线圈与发射线圈距离一定时，空载与负载的变压变化小，负载时电压输出曲线比较平滑，说明具有很好的负载能力。可用的距离为20~25 mm，达到了对传感器节点充电所需的距离，故可以将此无线充电方案应用于无线传感器网络。

图4 收发线圈间距与输出电压关系图

5 无线图像采集粮虫检测传感器节点的设计

中国已经停止使用甲基溴作为粮库的杀虫剂，原因是甲基溴不但会破坏臭氧层，而且会在食物中形成残留。所以当检测到粮虫存在的时候，取而代之将会用磷化氢熏蒸法杀虫[8]。但是磷化氢熏蒸法对金属具有腐蚀性，传感器节点的元器件和电子线路都容易被腐蚀，这种情况下需要全密封的壳体，不能留有外露的插口。而且无线图像采集粮虫检测传感器是埋入粮食里面的，如果出现故障没法及时维护更新，对粮食安全存在很大隐患。鉴于以上两点，采用无线充电方法是很好的选择，隔着一层塑料壳也能充电。

传感器节点与充电器的模型设计如图5所示，传感器节点采用球形结构。一方面可以充分利用其内部空间，大大降低了传感器节点的体积，而且在粮食转移的时候，更加容易被筛选出来，以便回收利用。另一方面，节点在粮食中可以承受的压力更大，不易出现变形弯曲而导致损坏的现象，不仅降低外壳的封装成本，还提高了节点的稳定性与安全性。

图5 传感器节点模型与充电器模型

充电器模型如此设计可以保证收发线圈之间的距离小（10 mm），能量的传输效率高，实现快速充电。我们把充电器设计为一个矩阵形式，多个独立的发射模块相互并联统一供电。它们之间的工作是相互独立的，充电效率不受影响，但可以对多个回收节点同时充电，方便快速投入下次使用。

6 结束语

本方案的无线电能传输效率与距离都完全满足传感器网络节点对无线充电的要求，可以应用于埋入式图像采集粮虫检测系统，成功地避免了磷化氢对传统节点具有腐蚀性的危害。如果能够更好地解决无线电能传输效率偏低和传输距离较短的问题，无线充电技术将会有更广泛的应用。即便目前受到这两方面一定的束缚，但它仍然有其独特的优势，能够适应恶劣的特种环境，所以也拥有非常广阔的应用前景，值得我们去做深入的研究与探讨。

当然，作为一种发展中的技术，还有很多未知的问题有待发现和解决。

[1] 张红涛，胡玉霞，邱道尹. 储粮害虫检测现状[J]. 河南农业科学，2006（3）：66-68.

[2] 张洪镇，赵亚凤，郭婷婷. 简易无线充电器的设计[J].机电产品开发与创新，2013，26（4）：43-44.

[3] 倪国旗，王丽娜，彭欣. 一种无线充电系统的设计[J].研究与设计，2013，39（3）：51-54.

[4] 姚晓平. 电能无线传输应用方案[J]. 制造业自动化，2012，33（12）：62-65.

[5] 肖志坚，韩震宇，李绍卓. 关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J]. 自动化技术与应用，2007，26（12）：114-116.

[6] 何芹，张佳斌，戴丽洁，等. 手机无线充电系统的设计与实现[J]. 电子与封装，2013，13（8）：44-47.

[7] 熊慧，陈东旭，刘俊利，等. 高效率医疗植入式刺激装置无线充电系统[J]. 电子技术应用，2012，38（12）：54-56.

[8] 黎万武，严晓平，周浩，等. 中国粮食仓储行业淘汰甲基溴行动[J]. 粮食储藏，2007，36（2）：6-9.

图8 测试隔离度结果

7 结论

本文涉及的基于砷化镓MMIC二极管结构双平衡混频器具有较宽的工作频带，变频损耗比较小，在10 dB左右，具有较宽的工作频带，端口隔离度也具有较高的水平。线性度较好，p-1达到17 dBm，噪声系数较低，在10 dB左右。实际测试的数据符合设计要求，该芯片可应用于WLAN系统等适用于该频带的射频系统中。

参考文献：

[1] Inder Bahl, Prakash Bhartia. 微波固态电路设计[M]. 北京：电子工业出版社，2006. 417-419.

[2] Reinhold Luduing Pavel Bretchko. 射频电路设计——理论与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2002. 92-393.

[3] MAAS S A. Microwave mixers second edition [M]. Boston/ London:Artech House, 1993. 269-274.

作者简介：

池 凯（1988—），男，湖北仙桃人，2010年毕业于解放军理工大学指挥自动化学院网络工程专业，2011年毕业于国防信息学院指挥自动化专业，获工学学士学位和军事学学士学位，研究方向为射频芯片设计。

Application of Wireless Charging Technology in Sensor Networks for Grain Pest Detection

XU Lianxiang, YANG Weifeng
（Department of Electrical and Information Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan430023,China）

With the development of science and technology, the application of wireless charging technology in various fields has becoming more and more widespread, such as mobile phones, computers, cameras, automobiles and other industry field of new products have been using wireless charging technology. The paper introduces a simple and efficient wireless charging scheme, it applied to the stored grain pest detection system by image acquisition of embedded, to ensure that the sensor network nodes can be convenient, safely and stably working. The working environment of this system is special, and wireless charging technology has the advantage of no physical contact, so we can replace the traditional wired charging method reasonable and effective by wireless charging. Using highly integrated chip XKT-408A as emitting chip in the system, coupled with very few external components can produce a reliable and stable wireless charger, not only to ensure the high transmission efficiency of wireless charging, but also greatly reduces the volume of sensor network nodes.

wireless charging; sensor network nodes; grain pest detection

TN99

A

1681-1070（2014）09-0044-04

徐联祥（1989—），男，湖北仙桃人，武汉轻工大学硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。

2014-03-20

武汉轻工大学研究生教育创新计划（2013cx006）