如何采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行電力傳輸

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的建設(shè)中，估計(jì)超過(guò)60％的成本都用在了布線與安裝上。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸顯然可以消除一些線纜連接，而采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行電力傳輸，無(wú)疑可避免更多的布線。

TransferFi是一家初創(chuàng)公司，致力于為50米之內(nèi)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)新的無(wú)線充電解決方案。

無(wú)線技術(shù)大家都知道，但發(fā)射器的設(shè)計(jì)、發(fā)射器安裝的位置、如何使效率達(dá)到最好，以及整個(gè)系統(tǒng)性能的驗(yàn)證都面臨極大挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的工程方案來(lái)解決。布線的成本不可避免，這不僅阻礙了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的發(fā)展，也為智能電網(wǎng)和智能城市的發(fā)展設(shè)置了障礙。大規(guī)模的傳感器安裝需要布線復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，成本高昂且安裝時(shí)間長(zhǎng)。

TransferFi開(kāi)發(fā)的TFi Turin 1無(wú)線電力網(wǎng)（WPN）平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)可靠的部署，無(wú)需經(jīng)常更換電力電纜或電池。

TransferFi聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Aashish Mehta表示：“我們的TFi WPN IIoT系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)是專為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這類應(yīng)用需要能為多個(gè)目標(biāo)供電的遠(yuǎn)距離無(wú)線電力網(wǎng)。我們采用了更適合遠(yuǎn)場(chǎng)/遠(yuǎn)距離應(yīng)用的射頻技術(shù)。Turin平臺(tái)促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的商業(yè)化，因?yàn)樗惯h(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線電力網(wǎng)的部署和應(yīng)用變得自動(dòng)化。”

無(wú)線電力傳輸

無(wú)線電力傳輸（WPT）技術(shù)分為兩大類：近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

近場(chǎng)非輻射技術(shù)最適合短距離能量傳輸，它通過(guò)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(chǎng)來(lái)傳輸能量。電感耦合是當(dāng)今使用最廣泛的無(wú)線技術(shù)。

遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)技術(shù)也稱為無(wú)線電力傳輸（power beaming），它通過(guò)電磁輻射（例如微波或激光束）傳輸電力。這類技術(shù)可以在較長(zhǎng)的距離上傳輸能量，但必須有接收器。波束成形技術(shù)用于改善波束的聚焦。

通過(guò)專用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。波束成形可以說(shuō)是WPT技術(shù)的“圣杯”，因?yàn)樗梢栽诓辉黾影l(fā)射功率的情況下將更高質(zhì)量的信號(hào)傳遞給接收器。為了獲得滿意的波束，發(fā)射器必須配備大量天線，以形成自適應(yīng)波束，同時(shí)控制波束能量聚焦的方向。

圖1：無(wú)線電力傳輸功能框圖。（圖片來(lái)源：TransferFi）

TFi Turin 1

TransferFi創(chuàng)建了一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以根據(jù)接收器的位置和應(yīng)用負(fù)載來(lái)對(duì)定位、分時(shí)和信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。

TFi Turin 1平臺(tái)由一個(gè)TFi網(wǎng)關(guān)和帶有各種傳感器的TFi傳感單元組成。TFi網(wǎng)關(guān)利用遠(yuǎn)場(chǎng)RF無(wú)線電力傳輸來(lái)供電，并與距離不超過(guò)50米的TFi傳感器件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

“我們開(kāi)發(fā)了波束形成和信號(hào)優(yōu)化算法，用來(lái)將波束聚焦在目標(biāo)器件上?！盇ashish說(shuō)，“這些算法對(duì)發(fā)送端和接收端都進(jìn)行了優(yōu)化，可應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。我們的專利主要包括：為實(shí)現(xiàn)更好的RF到DC轉(zhuǎn)換及更精確的波束成形角所進(jìn)行的優(yōu)化；使用TFi一鍵式校準(zhǔn)和分時(shí)軟件來(lái)縮短部署時(shí)間；通過(guò)16通道TFi網(wǎng)關(guān)增強(qiáng)波束聚焦?！?/p>

波束成形過(guò)程是將無(wú)線信號(hào)定向到特定接收器件而不是發(fā)散到其他方向。與其他技術(shù)相比，采用波束成形技術(shù)所產(chǎn)生的連接更直接、更快速也更可靠。近年來(lái)，由于5G的普及，波束成形技術(shù)也迅速發(fā)展。

其中一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)是使用多個(gè)位置接近的天線，略微錯(cuò)開(kāi)時(shí)間發(fā)送相同的信號(hào)。重疊的波在一些區(qū)域產(chǎn)生有益的干擾（使信號(hào)變強(qiáng)），而在另一些區(qū)域則產(chǎn)生有害的干擾（使信號(hào)變?nèi)趸?a target="_blank">檢測(cè)不到）。如果正確操作，該波束成形過(guò)程可以將信號(hào)定向到目標(biāo)位置。

圖2：利用波束成形技術(shù)可提高效率。（圖片來(lái)源：TransferFi）

圖3：目前用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的TFi系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：TransferFi）

聚焦波束遠(yuǎn)比向各個(gè)方向發(fā)散波束要高效得多，這種技術(shù)還可以減少因攔截其他信號(hào)而引起的干擾。當(dāng)然它也有局限性，可能在執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)來(lái)獲得最佳效率時(shí)消耗較多的計(jì)算資源。但硬件和軟件資源的不斷改進(jìn)可以彌補(bǔ)這些不足。

“總體而言，Turin平臺(tái)的設(shè)計(jì)是跨硬件與應(yīng)用的，只要硬件類型合適，就可以使用。我們目前發(fā)布的TFi WPN IIoT可用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能樓宇自動(dòng)化和環(huán)境感應(yīng)熱圖繪制（應(yīng)用于服務(wù)器機(jī)房和冷藏室）。我們的合作伙伴包括工業(yè)自動(dòng)化、半導(dǎo)體、物流和汽車領(lǐng)域的跨國(guó)公司?！盇ashish說(shuō)。

工業(yè)4.0、智能樓宇和智能電網(wǎng)等未來(lái)的工業(yè)概念都需要大規(guī)模部署傳感器，其基礎(chǔ)架構(gòu)布線復(fù)雜，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成部署，而且停機(jī)的代價(jià)高昂，會(huì)阻礙業(yè)務(wù)發(fā)展。在目前的有線傳感器部署中，大部分時(shí)間都浪費(fèi)在安裝與布線上，其花費(fèi)占整個(gè)傳感器部署預(yù)算的60％以上。TFi WPN平臺(tái)提供的非侵入傳感器部署降低了基礎(chǔ)設(shè)施布線的復(fù)雜性。
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