基于LoRa+无线充电的充电无人机的设计与实现

石玉 雷程鑫 杜泽仁 柳海楠

摘要：本文所设计的充电无人机通过在无人机上搭载LoRa+无线通信模块和无线充电模块，对物联网节点实现无线充电。其中无线通信模块用来获取无线传感器节点的电量信息，并通过LoRa模块将电量信息无线传送给用户端，由用户端判断电量是否充足。若电量充足则进行下个无线传感器节点的电量检测，若电量不足则控制无人机飞至需充电的节点处，利用充电无人机所携带的无线充电模块对无线传感器节点进行充电。实验证明，该充电无人机可实现对传感器节点的无线充电，且提前预判了节点电量状态，减少了无人机的飞行次数。

关键词：无线充电；LoRa；无人机

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）10-0257-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 简介

物联网技术在航运、交通、智慧生活等方方面面发挥了重要的作用。其中物联网的感知离不开各种各样的传感器节点。传感器节点功耗低、部署密集，多数采用电池供电，部分工作在人不方便接触的地方，如海底、火山口等。传感器节点电量耗尽则退出网络，寿命殆尽。为保证感知及数据采集过程正常进行，需继续补充新的传感器节点。

为解决上述问题，本文设计了一种基于LoRa+无线充电的充电无人机。无人机利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器，具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。可以应对于一些特殊环境（如火山口，高空等）进行勘探收集信息。在无人机上装载低功耗LoRa无线通信模块，可通过无人机和传感节点进行远程通信交互判断节点是否需要充电。如需充电，无人机将携带无线充电模块飞至需充电的节点处进行无线充电。

2 无线充电技术及LoRa无线通信技术简介

无线充电技术是源于无线电力输送技术产生的一种新型充电技术。无线充电技术利用近场感应，由无线充电器将能量传送至需要充电的设备，该设备使用接收到的能量对电池进行充电，且为设备本身的运作提供能量。无线充电器与充电设备之间通过电感耦合来传送能量，因此无须电线连接，可以做到无导电接点外露[1]。本系统的无线充电分为两部分，充电板给无人机充电，无人机携带足够的能量再给无线传感器节点充电。

LoRa是一种无线通信技术，相比于其他技术，LoRa更容易以一种低功耗的方式进行远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电，对建筑物的穿透力也很强。不仅如此，LoRa技术可以有效地抗击干扰和实现加密，而且还可以实现空空距离通信，如：连接湖，河，平原，山区等。最重要的是，LoRa的成本较低[2]。基于以上几点，我们选择用LoRa技术实现无线通信。。

3 无线充电无人机的设计

3.1 无线充电模块的设计

市场比较主流的无线充电技术主要有三种，即电磁感应无线充电、无线电波无线充电、以及共振作用无线充电。本系统采用Qi无线充电标准。Qi标准采用了最为主流的电磁感应技术。充电模块的初级线圈通有一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端[3]。

其中，无人机上携带线圈1，由24V电池对其进行供电。无线传感节点处放置线圈2，与无线传感节点相连，并连接有充电指示灯。当无人机上携带的线圈1靠近无线传感节点的线圈2时，利用线圈1的交变电磁场感应线圈2进行充电。若开始充电，则指示灯亮。

3.2 无线通信模块设计

通过在遥控或无人机上装载发送信号器，在无线传感节点上安装接收器，实现无线信号收发。本系统通过在信号发送端和接收端分别安装LoRa通信模块进行实现。本系统中采用Arduino开发板搭载ESP32芯片对LoRa节点进行控制。ESP32芯片可通过I/O口采集传感器节点电量信息，并将剩余电量通过开发板集成的液晶显示屏进行显示。同时可通过LoRa模块将电量信息通过发送子程序发送给发端的LoRa模块。若电量显示充足，则跳过此节点检测下一个节点。若电量显示不足，则控制无人机飞至需充电节点处，利用线圈互感进行无线充电。

3.3 整体设计

分步完成这些模块后，需要将无线充电模块和无线通信模块加载在无人机上。本系统采用的是二次开发无人机，自带单片机微型处理器。本系统中无人机直接绑定携带已充电的电池及充电线圈。无人机携带的电池可采用220V家用电进行反复充电。无线通信模块通过和无人机上的单片机I/O口相连，实现无人机对无线通信模块的控制。

4 结束语

本系统旨在解决无线传感节点的无线充电问题。一个无线传感器网络可能存在成百上千个节点，甚至在一些恶劣的环境中，无线传感器节点一旦部署固定，直至寿命殆尽。通过为传感器节点进行无线充电可延长无线传感器节点的工作时间。本系统分别对无线充电模块和无线通信模块进行设计，并搭载在无人机上，较好地实现了这一功能。通过LoRa检测，只需对判断需要充电的节点进行充电，同时减少了无人机的飞行次数。

参考文献：

[1]郭言平.無线充电的关键技术和研究[J]. 合肥学院学报（自然科学版） ，2012（2）.

[2]赵静，苏光添.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信 2016，40（21）：50-57.

[3]J. Bernhard， K. Hietpas， E. George， D. Kuchima， and H. Reis.An interdisciplinary effort to develop a wireless embedded sensor system to monitor and assess corrosion in the tendons of prestressed concrete girders. in Proc.IEEE Topical Conf. Wireless Communication.2003， pp. 241-243.

【通联编辑：梁书】