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基于无线供电之无线传感器网络探讨

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

虽然无线传感器网络有很大的商业和工业潜力，但是传感器节点电

源的问题阻碍了其发展。使用电池作为电源的无线传感器网络提供了有限

的能源来执行要求很高的任务。低电池容量会导致传感器节点故障或使整

个网络中断，应用电池作为电源需要定期的维护和更换电池，这降低了整

个网络的可靠性并增加了成本，此外，更换电池还会造成环境的污染

[3]。无线供电技术即负载和电源之间没有经过任何的电气连接而完成能

量的传输。目前普遍采用的方法是在电源端电能转化成电磁能，负载端将

电磁能转化成电能，通过这样的能量的转换完成对能量的无线传输。如果

无线传感器网络采用无线供电的方式，减少电池使用的同时简化了安装过

程，可以实现同时为多个传感器节点供电，提高了整个系统的稳定性

[4]。

1.2国内外发展现状

时间追溯到上世纪70年代，传感器网络技术已经得到了初步发

展，但是那时的传感器技术还很单一，仅仅能实现点对点的传输，被称为

第一代传感器网络[9]。随着科学技术的不断进步，传感器网络技术得到

了全面的发展，功能越来越多，通过相关的控制器，可以实现多种信息的

监测、传输以及处理，这便是第二代传感器网络。随着时间的推移，多种

技术逐步开始与传感器技术进行融合，在这期间，总线技术的应用使无线

传感器网络迅速发展起来[10]。运用此技术，将多种不同功能的传感器连

接形成智能传感器网络，随着工业及生活需要，无线通信技术与传感器网

络结合起来，无线传感器网络作为一种新的技术逐渐发展起来。

……….

第2章系统方案的整体设计

2.1无线供电方案的选择

随着科学技术的发展，电子设备广泛应用的同时也带来了许多的问

题。电线的存在使得设备在安装时增加了难度也阻碍了设备的灵活性，使

得设备在一些特定的场合中无法被使用。加上电线的长期使用超过其使用

年限会带来安全隐患。为了解决以上的问题人们将目光集中在了无线供电

这一技术上。由于无线电能传输原理的不同，可将无线电能的传输分成以

下几种，如图2-1所示。

2.2电磁波发射源的选择

2008年以来，无线供电技术迅速的发展，很多的公司也都推出了无

线供电的商业产品。在2008年12月全球无线电源联盟第一次会议在香

港举行并在会议推出了Qi低功率规范。商业生产技术的迅速发展，可以

有效的缩短天线的尺寸，并可以将其集成在手机或者是较小的手持设备

中。这是无线供电技术的突破，但是商业所使用的技术是电磁耦合感应

式，并且电磁波频率都是在100kHz以下。在这种频率下电磁波的波长比

较大，在传播的过程其受到的阻碍也就越大，因此目前我们所见商品的无

线供电距离都非常的短，在几毫米到几厘米不等。对于无线传感器网络来

说，供电距离应该足够长至少应在1米甚至是几十米。这就使得目前所

拥有的商业无线供电设备不能为传感器网络中的传感器节点进行无线供

电。

RFID阅读器会发射出处于超高频带UHF(ultra-highfrequency)的

电磁波，其频率变化从860到960MHz不等，进而驱动数米以外的标

签。处于超高频率的电磁波其波长很短，不仅可以缩短了接收天线的尺

寸，也提高了远距离供电的能力[37]。使用无线传感器网络节点来代替原

来的标签，这样就够成了一个由RFID阅读器来进行供电的无线传感器网

络。由于RFID技术的优点，本文所研究的系统使用RFID技术来进行无线

供电，利用RFID阅读器来发射超高频的电磁波。

………………

第3章传感器节点的硬件设计17

3.1无线电源接收模块的设计17

第4章系统软件设

计29

4.1无线传感器拓扑结构的介绍

29

第5章系统检测及结果分

析38

5.1实验仪器选

择38

第5章系统检测及结果分析

5.1实验仪器选择

一个圆极化天线，ALR9611-CR，被选做为读写器发射电磁波的天

线。这是匹配AlineALR9900的标准天线，并提供一个高达5.73dB的

天线增益。初步试验表明其阻抗约为50，传感器节点中的偶极子天线有

一个约70+j40.5的阻抗，天线增益为1.