物联网节点间能量无线传输方法研究

张川　肖明旺　万雨桐　李廷

摘 要

无线能量传输，即用电设备以非接触方式从固定电网获取电能的技术，一直是近年来物联网方面研究的热点。一个多世纪以来不断有国内外的学者对此进行研究。一些小型的无线能量传输设备已经被制造出来，但在规模和能量传输方面的效率却很低。本文通过分析现有的无线能量传输技术和国内外相关研究的现状，提出一些在无线能量方面的想法，以提高无线能量传输的效率。

【关键词】物联网 无线能量 传输 电磁波

1 研究背景分析

无线能量传输是指能量从能量源节点传输到受电节点的过程。在传统能量传输中我们使用有线方式来实现能量的传输，有线能量传输有很多的优点，例如，可以保证能量传输的效率，可以人为地控制能量传输的方向。但与此同时，有线能量传输也带来了很多的问题，如在布线过程中资源的损耗，布线时人力消耗，特别是在山区或者交通不便的区域，设置电线带来的巨大的人力消耗，同时也为施工人员带来了巨大的安全隐患。因此，无线能量传输越来越受到人们的青睐也成为了近年来物联网领域的研究热点之一。相比于有线传输，无线能量传输可以明显降低资源和人力的消耗，同时在农业、通信、军事等领域都有巨大的应用前景。

2 无线能量传输的原理与分类

物联网节点间无线能量传输系统主要由能量发射源节点，能量受电节点，能量发射天线等几部分组成。与无线通信系统相似，无线能量传输同样使用无线电波作为能量的载体，由能量发射源节点经由天线发射出载有能量的无线电波，再由受电节点将其接收，这样就完成了无线能量传输的过程。

无线能量传输大致可以分为三类：第一类是应用电磁感应技术，在传统变压器的基础上的基础上进行改进，变压器两侧分离，实现非接触的短程电能传输；第二类是以微波或激光的形式，通过发送和接收天线，实现远程能量传输；第三类是通过非辐射电场或磁场耦合的电磁谐振原理，实现中距离的无线电能传输。

3 国内外无线能量传输的现状

在无线能量传输领域率先做出重大突破的是麻省理工学院的Soljacic助理教授。在2007年，由他领导的研究小组成功地将一盏近距离外的60w灯泡点亮，并且将效率提升到了40%，他的实验验证了所提出的无限能量传输方式的可行性，并且将效率提升到了一个新的高度，由此人们看到了无线能量传输在实际生活中的可行性。

继Soljacic领导的研究小组取得突破后，美国内达华雷电实验室的G.E.Leyh等在耦合谐振无线能量传输实验上也取得了瞩目的成就，他用两个空心变压器作为无线能量传输的发射与接收端，变压器与电极连接，成功地将800w的电力用无线的方式传输到5m远的距离。

国内在无线能量传输领域也取得了很大的进展。其中比较显著的是华南理工大学张波教授课题组的研究，他们提出了谐振耦合电能无线传输技术，即利用两个发生谐振耦合的电路捕捉随距离衰减的电磁场的技术。此外中山大学的朱允中教授也在无线能量传输方面提出了一种新的系统，极大地拓宽了无线传输领域的应用范围。

4 物联网节点能量无线传输面临的挑战

虽然近年来无线能量传输领域取得了极大地发展，研究的人员和机构也不断地增加，各项研究成果也如雨后春笋般地涌现，但结合近几年研究的成果，我们不难看出现今无线能量传输领域依旧面临着很多的挑战：

4.1 无线能量传输的距离和效率问题

无线能量传输可以解决有线能量传输的很多问题，极大地减小资源和人力的消耗，降低能量传输的成本，但是却存在不可避免的效率问题。由于无线能量传输以无线电波为载体，在电磁波的传递过程由于传播方向的不确定性和电波在传播过程中受到的干扰与反射问题，极易出现能量的损耗，随着传输距离的增加，能量传输的效率必然也会出现急剧的下降。

4.2 物联网节点分布与效率问题

物联网节点设备一般较小，且在实现物联网节点无线能量传输系统时，设置的节点较多，不同节点之间能量的传输极易产生电磁波的干扰，影响能量传输的效率。

4.3 节点传输容量与效率问题

由于受到节点体积和传输容量的限制，在节点之间实现无线能量传输的过程中其传输容量的限制也会对传输效率产生较大的影响。

4.4 能量传输的安全性和可靠性

无线能量传输以电磁波为载体进行能量的传递，与无线通信系统一样，在传播过程中同样会面临电磁波之间的干扰与电波被截获的问题，可能会出现电磁波的失真与丢失窃取问题，因此在安全性与能量传输的可靠性方面也会带来严峻的挑战。

5 节点无线能量传输新的想法

经过之前的分析，我们可以发现对于物联网节点无线传输技术，面临的主要问题是在能量传输距离与效率方面的挑战。于是我们提出了一种新的思路供大家参考。

考虑到物联网节点间的无线能量传输主要是在节点之间进行，且能量主要由电磁波为载体来进行传递。载有能量的电磁波由源节点发射，被受电节点接收，能量的损耗主要发生在传播的过程，因此我们可以在能量传输的过程间布置过渡节点，能量由源节点发射后传递给过渡节点，过渡节点接收电磁波后以电磁波共振的原理将电波向下一个过渡节点进行传递，通过共振传递电磁波可以让电磁波在尽可能不失真的情况下将电磁波传得更远，以此达到降低传输过程中能量损耗的问题。

6 总结

无线能量传输不仅在物联网领域可以产生划时代的成就，在其他如医疗、Adhoc网络节点分布、农业、军事等领域也有着广阔的应用前景。由于无线能量传输主要是利用电磁波进行能量的传输，因此可以避免有线能量传输和电池供电设备出现的很多问题，现今一些短距离无线能量传输设备已经制造出来并投入实验使用中，如果可以在传输距离与效率上取得更大的突破，那么无线能量传输将在更广阔的领域发挥更加重要的作用。

作者单位

大连理工大学软件学院 辽宁省大连市 116600endprint