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面向工业物联网的远距离无线输电技术

2020-09-30 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
在工业物联网(IIoT)的建设中,估计超过60%的成本都用在了布线与安装上。无线数据传输显然可以消除一些线缆连接,而采用无线技术进行电力传输,无疑可进一步避免布线。

在工业物联网(IIoT)的建设中,估计超过60%的成本都用在了布线与安装上。无线数据传输显然可以消除一些线缆连接,而采用无线技术进行电力传输,无疑可避免更多的布线。ePLednc

TransferFi是一家初创公司,致力于为50米之内的工业物联网传感器网络开发新的无线充电解决方案。ePLednc

无线技术大家都知道,但发射器的设计、发射器安装的位置、如何使效率达到最好,以及整个系统性能的验证都面临极大挑战,需要复杂的工程方案来解决。布线的成本不可避免,这不仅阻碍了工业物联网和工业4.0的发展,也为智能电网和智能城市的发展设置了障碍。大规模的传感器安装需要布线复杂的基础设施,成本高昂且安装时间长。ePLednc

TransferFi开发的TFi Turin 1无线电力网(WPN)平台可以实现可靠的部署,无需经常更换电力电缆或电池。ePLednc

TransferFi联合创始人兼CEO Aashish Mehta表示:“我们的TFi WPN IIoT系统级架构是专为工业物联网应用而设计的,这类应用需要能为多个目标供电的远距离无线电力网。我们采用了更适合远场/远距离应用的射频技术。Turin平台促进了物联网应用的商业化,因为它使远场无线电力网的部署和应用变得自动化。”ePLednc

无线电力传输

无线电力传输(WPT)技术分为两大类:近场和远场,它们有各自的优缺点。ePLednc

近场非辐射技术最适合短距离能量传输,它通过线圈之间的电感耦合或金属电极之间的电容耦合所形成的磁场来传输能量。电感耦合是当今使用最广泛的无线技术。ePLednc

远场辐射场技术也称为无线电力传输(power beaming),它通过电磁辐射(例如微波或激光束)传输电力。这类技术可以在较长的距离上传输能量,但必须有接收器。波束成形技术用于改善波束的聚焦。ePLednc

通过专用射频技术实现无线电力传输在物联网应用中越来越受欢迎。波束成形可以说是WPT技术的“圣杯”,因为它可以在不增加发射功率的情况下将更高质量的信号传递给接收器。为了获得满意的波束,发射器必须配备大量天线,以形成自适应波束,同时控制波束能量聚焦的方向。ePLednc

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图1:无线电力传输功能框图。(图片来源:TransferFi)ePLednc

TFi Turin 1

TransferFi创建了一个自动校准系统,可以根据接收器的位置和应用负载来对定位、分时和信号进行优化。ePLednc

TFi Turin 1平台由一个TFi网关和带有各种传感器的TFi传感单元组成。TFi网关利用远场RF无线电力传输来供电,并与距离不超过50米的TFi传感器件进行数据通信。ePLednc

“我们开发了波束形成和信号优化算法,用来将波束聚焦在目标器件上。”Aashish说,“这些算法对发送端和接收端都进行了优化,可应用于整个系统级架构。我们的专利主要包括:为实现更好的RF到DC转换及更精确的波束成形角所进行的优化;使用TFi一键式校准和分时软件来缩短部署时间;通过16通道TFi网关增强波束聚焦。”ePLednc

波束成形过程是将无线信号定向到特定接收器件而不是发散到其他方向。与其他技术相比,采用波束成形技术所产生的连接更直接、更快速也更可靠。近年来,由于5G的普及,波束成形技术也迅速发展。ePLednc

其中一种实现技术是使用多个位置接近的天线,略微错开时间发送相同的信号。重叠的波在一些区域产生有益的干扰(使信号变强),而在另一些区域则产生有害的干扰(使信号变弱或检测不到)。如果正确操作,该波束成形过程可以将信号定向到目标位置。ePLednc

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图2:利用波束成形技术可提高效率。(图片来源:TransferFi)ePLednc

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图3:目前用于工业物联网的TFi系统。(图片来源:TransferFi)ePLednc

聚焦波束远比向各个方向发散波束要高效得多,这种技术还可以减少因拦截其他信号而引起的干扰。当然它也有局限性,可能在执行复杂的计算任务来获得最佳效率时消耗较多的计算资源。但硬件和软件资源的不断改进可以弥补这些不足。ePLednc

“总体而言,Turin平台的设计是跨硬件与应用的,只要硬件类型合适,就可以使用。我们目前发布的TFi WPN IIoT可用于状态监测、智能楼宇自动化和环境感应热图绘制(应用于服务器机房和冷藏室)。我们的合作伙伴包括工业自动化、半导体、物流和汽车领域的跨国公司。”Aashish说。ePLednc

工业4.0、智能楼宇和智能电网等未来的工业概念都需要大规模部署传感器,其基础架构布线复杂,需要较长时间才能完成部署,而且停机的代价高昂,会阻碍业务发展。在目前的有线传感器部署中,大部分时间都浪费在安装与布线上,其花费占整个传感器部署预算的60%以上。TFi WPN平台提供的非侵入传感器部署降低了基础设施布线的复杂性。ePLednc

(原文刊登于EETimes美国版,参考链接:Long-Range Wireless Power Transfer for Industrial IoT,由Jenny Liao编译。)ePLednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ePLednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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