無線充電及其在圖像采集糧蟲檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用*

徐聯(lián)祥，楊威風(fēng)

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430023）

無線充電及其在圖像采集糧蟲檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用*

徐聯(lián)祥，楊威風(fēng)

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430023）

隨著科技的發(fā)展，無線充電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，比如在手機(jī)、電腦、相機(jī)、汽車等行業(yè)的部分最新產(chǎn)品中已經(jīng)使用了無線充電技術(shù)。介紹了一種簡便高效的無線充電方案，應(yīng)用于埋入式圖像采集糧蟲檢測系統(tǒng)，以確保傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠方便、安全、穩(wěn)定地工作。該系統(tǒng)的工作環(huán)境特殊，無線充電技術(shù)有無需物理接觸的優(yōu)勢，可以合理有效地替代傳統(tǒng)的有線充電方法。使用高度集成的XKT-408A作為系統(tǒng)的發(fā)射芯片，再配合極少的外部元件就可以制作可靠穩(wěn)定的無線充電器，不僅保證了無線充電的傳輸效率，也大大降低傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積。

無線充電；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；糧蟲檢測

1 引言

中國是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布關(guān)于糧食產(chǎn)量的公告中顯示2013年全國糧食總產(chǎn)量為60 193.5萬噸。由于糧食產(chǎn)量大，因而有大量糧食會入庫保存，有時(shí)存儲時(shí)間長達(dá)五年。據(jù)官方數(shù)據(jù)，在存儲階段損失的糧食約占總量的0.2%，這些損失高達(dá)十幾億元。因此減少糧食在存儲環(huán)節(jié)中的損失，實(shí)施綠色儲糧是目前國家糧食局在糧食存儲工作中的重點(diǎn)，也是國家糧食局希望通過國際合作進(jìn)一步推動的六個(gè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要方面。

國家對糧食儲藏非常重視，為了確保糧食的安全儲藏，每年用于糧食儲備方面的補(bǔ)貼費(fèi)用就達(dá)數(shù)百億元[1]。許多新技術(shù)及新裝備在糧食儲藏中得到了廣泛應(yīng)用，使得糧倉監(jiān)控檢測趨于智能化，大量傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能化糧倉的前提。無線充電作為一種新型的充電方式，運(yùn)用到傳感器節(jié)點(diǎn)中可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢與作用。

2 無線充電系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

無線電力傳輸是區(qū)別于有線電力傳輸?shù)囊环N特殊電能傳輸方式，電能從發(fā)射端到接收端無接觸，提高了用電設(shè)備獲取電能的靈活性。如今市場上主流的無線充電技術(shù)主要有三種方式，即電磁感應(yīng)、無線電波、共振作用。其中電磁感應(yīng)充電是目前最為常用和成熟的，通過發(fā)射端和接收端的線圈進(jìn)行能量耦合，從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸[2,3]。

但是線圈之間的耦合系數(shù)較小，有較大的磁漏，故電壓增益下降，傳輸效率低，而且其耦合系數(shù)是隨著磁芯之間的距離以及有效感應(yīng)面積而變化的，所以對電路的控制變得相對復(fù)雜。這也是現(xiàn)在無線充電沒法完全取代有線充電的原因之一[4,5]。而且在電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)中，初、次級線圈相互獨(dú)立，線圈的形狀、大小、匝數(shù)等都會影響其耦合特性[6]。

無線充電主要由兩個(gè)部分組成：發(fā)送模塊和接收模塊，它們之間通過分離變壓器進(jìn)行連接。因?yàn)楦哳l變壓器可分離，從而能量傳輸可以實(shí)現(xiàn)無電接觸式。

如圖1所示，220 V交流電通過變壓器降壓，經(jīng)過橋式整流及對其濾波，變換為穩(wěn)定的5~12 V直流電，再由驅(qū)動電路進(jìn)行高頻逆變，給分離變壓器一側(cè)的發(fā)射線圈提供高頻交流電。通過一側(cè)發(fā)射線圈與另一側(cè)接收線圈之間感應(yīng)電磁耦合將電能從發(fā)射模塊傳輸?shù)浇邮漳K。接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同樣得經(jīng)高頻整流、濾波、穩(wěn)壓后，即可得到穩(wěn)定的輸出電壓，為負(fù)載供電[7]。

圖1 無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 無線充電的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送電路

經(jīng)過變壓器降壓整流后，我們可以得到穩(wěn)定的5~12 V的直流電壓，用以給高頻逆變驅(qū)動芯片XKT-408A供電。XKT-408系列集成電路，采用CMOS制作工藝，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可靠性較高。

如圖2所示，XKT-408A負(fù)責(zé)該系統(tǒng)中的無線電能傳輸功能，采用電磁能量轉(zhuǎn)換原理并配合接收部分做能量轉(zhuǎn)換。在5 V的直流輸入下，并聯(lián)一個(gè)10 μF的電解電容C2之后，保持輸入直流電壓穩(wěn)定。T5336與XTK-408A配合可形成良好的發(fā)射控制電路，自動控制發(fā)射線圈電磁波的發(fā)射電壓和頻率。在XKT-408A的控制下，通過T5336輸出一個(gè)可控的低電壓，輸入直流電壓與T5336的輸出低電壓形成的電壓差在L1和C3的回路中形成LC振蕩電路。在振蕩過程中由于線圈的內(nèi)阻不能忽略且在能量傳輸過程中的能量損耗導(dǎo)致電路中振蕩電流肯定會大幅衰減，這時(shí)通過控制T5336的輸出電壓，調(diào)整LC振蕩電路兩端的電壓，用以補(bǔ)償電路中阻抗和能量傳輸損耗的電壓，使發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻交流電。

圖2 無線充電發(fā)射電路圖

3.2 接收電路

無線充電接收模塊的工作原理、電路結(jié)構(gòu)相比發(fā)射模塊較為簡單，如圖3所示。通過電磁感應(yīng)，接收線圈產(chǎn)生高頻交變的感應(yīng)電動勢，并聯(lián)補(bǔ)償電容C4之后，通過肖特基二極管D1和電解電容C5進(jìn)行半波整流，為大電流定制芯片T3168提供工作電壓。

圖3 無線充電接收電路圖

芯片3引腳輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓濾波后為負(fù)載提供平穩(wěn)5 V的直流信號。輸出電流大小可達(dá)500 mA，有較強(qiáng)的后級驅(qū)動能力，可以有效地進(jìn)行充電。

3.3 線圈的設(shè)計(jì)

芯片的工作頻率為0~5 MHz，在典型應(yīng)用中給出的接收、發(fā)射線圈電感為30 μH，并聯(lián)電容值為393 pF，通過并聯(lián)諧振電路的頻率計(jì)算公式得到工作頻率f的值為：

考慮到線圈的趨膚效應(yīng)，線圈表面電流最大，越靠近中心越小。由于多股線圈的表面積大于單股線圈，對應(yīng)的等效電阻較小，線圈本身的單體損耗也較低。因此，初次級線圈使用直徑為0.55 mm的漆包線繞制，線圈線徑不易過粗，否則容易出現(xiàn)折斷。用0.55 mm的漆包線在直徑為3.8 cm的圓柱體上緊密繞20匝，成型后粘結(jié)固定，使之結(jié)構(gòu)形狀相對穩(wěn)定，電感量為30 μH。

4 無線充電的運(yùn)行與測試

發(fā)送模塊與接收模塊分別按照對應(yīng)的電路圖進(jìn)行連接和調(diào)試，對其性能指標(biāo)做出測量與評定。保證發(fā)射線圈與接收線圈同軸，接收模塊輸出端分別空載與接67 Ω純電阻負(fù)載，對其輸出電壓進(jìn)行測量，結(jié)果如圖4所示。

從測試結(jié)果可以看出，接收線圈與發(fā)射線圈距離一定時(shí)，空載與負(fù)載的變壓變化小，負(fù)載時(shí)電壓輸出曲線比較平滑，說明具有很好的負(fù)載能力。可用的距離為20~25 mm，達(dá)到了對傳感器節(jié)點(diǎn)充電所需的距離，故可以將此無線充電方案應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖4 收發(fā)線圈間距與輸出電壓關(guān)系圖

5 無線圖像采集糧蟲檢測傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

中國已經(jīng)停止使用甲基溴作為糧庫的殺蟲劑，原因是甲基溴不但會破壞臭氧層，而且會在食物中形成殘留。所以當(dāng)檢測到糧蟲存在的時(shí)候，取而代之將會用磷化氫熏蒸法殺蟲[8]。但是磷化氫熏蒸法對金屬具有腐蝕性，傳感器節(jié)點(diǎn)的元器件和電子線路都容易被腐蝕，這種情況下需要全密封的殼體，不能留有外露的插口。而且無線圖像采集糧蟲檢測傳感器是埋入糧食里面的，如果出現(xiàn)故障沒法及時(shí)維護(hù)更新，對糧食安全存在很大隱患。鑒于以上兩點(diǎn)，采用無線充電方法是很好的選擇，隔著一層塑料殼也能充電。

傳感器節(jié)點(diǎn)與充電器的模型設(shè)計(jì)如圖5所示，傳感器節(jié)點(diǎn)采用球形結(jié)構(gòu)。一方面可以充分利用其內(nèi)部空間，大大降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，而且在糧食轉(zhuǎn)移的時(shí)候，更加容易被篩選出來，以便回收利用。另一方面，節(jié)點(diǎn)在糧食中可以承受的壓力更大，不易出現(xiàn)變形彎曲而導(dǎo)致?lián)p壞的現(xiàn)象，不僅降低外殼的封裝成本，還提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性與安全性。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)模型與充電器模型

充電器模型如此設(shè)計(jì)可以保證收發(fā)線圈之間的距離小（10 mm），能量的傳輸效率高，實(shí)現(xiàn)快速充電。我們把充電器設(shè)計(jì)為一個(gè)矩陣形式，多個(gè)獨(dú)立的發(fā)射模塊相互并聯(lián)統(tǒng)一供電。它們之間的工作是相互獨(dú)立的，充電效率不受影響，但可以對多個(gè)回收節(jié)點(diǎn)同時(shí)充電，方便快速投入下次使用。

6 結(jié)束語

本方案的無線電能傳輸效率與距離都完全滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對無線充電的要求，可以應(yīng)用于埋入式圖像采集糧蟲檢測系統(tǒng)，成功地避免了磷化氫對傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有腐蝕性的危害。如果能夠更好地解決無線電能傳輸效率偏低和傳輸距離較短的問題，無線充電技術(shù)將會有更廣泛的應(yīng)用。即便目前受到這兩方面一定的束縛，但它仍然有其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠適應(yīng)惡劣的特種環(huán)境，所以也擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，值得我們?nèi)プ錾钊氲难芯颗c探討。

當(dāng)然，作為一種發(fā)展中的技術(shù)，還有很多未知的問題有待發(fā)現(xiàn)和解決。

[1] 張紅濤，胡玉霞，邱道尹. 儲糧害蟲檢測現(xiàn)狀[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（3）：66-68.

[2] 張洪鎮(zhèn)，趙亞鳳，郭婷婷. 簡易無線充電器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013，26（4）：43-44.

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[4] 姚曉平. 電能無線傳輸應(yīng)用方案[J]. 制造業(yè)自動化，2012，33（12）：62-65.

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[6] 何芹，張佳斌，戴麗潔，等. 手機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子與封裝，2013，13（8）：44-47.

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圖8 測試隔離度結(jié)果

7 結(jié)論

本文涉及的基于砷化鎵MMIC二極管結(jié)構(gòu)雙平衡混頻器具有較寬的工作頻帶，變頻損耗比較小，在10 dB左右，具有較寬的工作頻帶，端口隔離度也具有較高的水平。線性度較好，p-1達(dá)到17 dBm，噪聲系數(shù)較低，在10 dB左右。實(shí)際測試的數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，該芯片可應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)等適用于該頻帶的射頻系統(tǒng)中。

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作者簡介：

池 凱（1988—），男，湖北仙桃人，2010年畢業(yè)于解放軍理工大學(xué)指揮自動化學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，2011年畢業(yè)于國防信息學(xué)院指揮自動化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位和軍事學(xué)學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樯漕l芯片設(shè)計(jì)。

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

徐聯(lián)祥（1989—），男，湖北仙桃人，武漢輕工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2014-03-20

武漢輕工大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃（2013cx006）