面向工業物聯網的遠距離無線輸電技術

2020-12-22 EDN電子設計技術

在工業物聯網（IIoT）的建設中，估計超過60％的成本都用在了布線與安裝上。無線數據傳輸顯然可以消除一些線纜連接，而採用無線技術進行電力傳輸，無疑可避免更多的布線。dxWednc

TransferFi是一家初創公司，致力於為50米之內的工業物聯網傳感器網絡開發新的無線充電解決方案。dxWednc

無線技術大家都知道，但發射器的設計、發射器安裝的位置、如何使效率達到最好，以及整個系統性能的驗證都面臨極大挑戰，需要複雜的工程方案來解決。布線的成本不可避免，這不僅阻礙了工業物聯網和工業4.0的發展，也為智能電網和智能城市的發展設置了障礙。大規模的傳感器安裝需要布線複雜的基礎設施，成本高昂且安裝時間長。dxWednc

TransferFi開發的TFi Turin 1無線電力網（WPN）平臺可以實現可靠的部署，無需經常更換電力電纜或電池。dxWednc

TransferFi聯合創始人兼CEO Aashish Mehta表示：「我們的TFi WPN IIoT系統級架構是專為工業物聯網應用而設計的，這類應用需要能為多個目標供電的遠距離無線電力網。我們採用了更適合遠場/遠距離應用的射頻技術。Turin平臺促進了物聯網應用的商業化，因為它使遠場無線電力網的部署和應用變得自動化。」dxWednc

無線電力傳輸

無線電力傳輸（WPT）技術分為兩大類：近場和遠場，它們有各自的優缺點。dxWednc

近場非輻射技術最適合短距離能量傳輸，它通過線圈之間的電感耦合或金屬電極之間的電容耦合所形成的磁場來傳輸能量。電感耦合是當今使用最廣泛的無線技術。dxWednc

遠場輻射場技術也稱為無線電力傳輸（power beaming），它通過電磁輻射（例如微波或雷射束）傳輸電力。這類技術可以在較長的距離上傳輸能量，但必須有接收器。波束成形技術用於改善波束的聚焦。dxWednc

通過專用射頻技術實現無線電力傳輸在物聯網應用中越來越受歡迎。波束成形可以說是WPT技術的「聖杯」，因為它可以在不增加發射功率的情況下將更高質量的信號傳遞給接收器。為了獲得滿意的波束，發射器必須配備大量天線，以形成自適應波束，同時控制波束能量聚焦的方向。dxWednc

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圖1：無線電力傳輸功能框圖。（圖片來源：TransferFi）dxWednc

TFi Turin 1

TransferFi創建了一個自動校準系統，可以根據接收器的位置和應用負載來對定位、分時和信號進行優化。dxWednc

TFi Turin 1平臺由一個TFi網關和帶有各種傳感器的TFi傳感單元組成。TFi網關利用遠場RF無線電力傳輸來供電，並與距離不超過50米的TFi傳感器件進行數據通信。dxWednc

「我們開發了波束形成和信號優化算法，用來將波束聚焦在目標器件上。」Aashish說，「這些算法對發送端和接收端都進行了優化，可應用於整個系統級架構。我們的專利主要包括：為實現更好的RF到DC轉換及更精確的波束成形角所進行的優化；使用TFi一鍵式校準和分時軟體來縮短部署時間；通過16通道TFi網關增強波束聚焦。」dxWednc

波束成形過程是將無線信號定向到特定接收器件而不是發散到其他方向。與其他技術相比，採用波束成形技術所產生的連接更直接、更快速也更可靠。近年來，由於5G的普及，波束成形技術也迅速發展。dxWednc

其中一種實現技術是使用多個位置接近的天線，略微錯開時間發送相同的信號。重疊的波在一些區域產生有益的幹擾（使信號變強），而在另一些區域則產生有害的幹擾（使信號變弱或檢測不到）。如果正確操作，該波束成形過程可以將信號定向到目標位置。dxWednc

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圖2：利用波束成形技術可提高效率。（圖片來源：TransferFi）dxWednc

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圖3：目前用於工業物聯網的TFi系統。（圖片來源：TransferFi）dxWednc

聚焦波束遠比向各個方向發散波束要高效得多，這種技術還可以減少因攔截其他信號而引起的幹擾。當然它也有局限性，可能在執行複雜的計算任務來獲得最佳效率時消耗較多的計算資源。但硬體和軟體資源的不斷改進可以彌補這些不足。dxWednc

「總體而言，Turin平臺的設計是跨硬體與應用的，只要硬體類型合適，就可以使用。我們目前發布的TFi WPN IIoT可用於狀態監測、智能樓宇自動化和環境感應熱圖繪製（應用於伺服器機房和冷藏室）。我們的合作夥伴包括工業自動化、半導體、物流和汽車領域的跨國公司。」Aashish說。dxWednc

工業4.0、智能樓宇和智能電網等未來的工業概念都需要大規模部署傳感器，其基礎架構布線複雜，需要較長時間才能完成部署，而且停機的代價高昂，會阻礙業務發展。在目前的有線傳感器部署中，大部分時間都浪費在安裝與布線上，其花費佔整個傳感器部署預算的60％以上。TFi WPN平臺提供的非侵入傳感器部署降低了基礎設施布線的複雜性。dxWednc

（原文刊登於EETimes美國版，參考連結：Long-Range Wireless Power Transfer for Industrial IoT，由Jenny Liao編譯。）dxWednc

本文為《電子技術設計》2020年10月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。dxWednc

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