無線充電技術在農業物聯網中的應用前景

蘇光燦++魏軼凡

摘 要：物聯網技術的應用提高了設施農業自動化管理水平。但在推廣過程中，依然存在著很多問題。其中，無線傳感器網絡的節點功耗一直是制約農業物聯網技術實用化的重要因素。無線充電技術作為一種新型電能傳輸技術，受到了科研工作者越來越多的關注。因為它降低了傳輸時可能出現的安全隱患，極大地為設備供電提供了方便，具有極強的環境適應能力。所以，將無線充電技術應用于農業物聯網中將具有重要意義及廣闊前景。

關鍵詞：設施農業；物聯網；無線充電技術

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170833164

隨著現代信息技術的快速發展，物聯網技術受到了各個強國的極大關注，作為信息產業的第三次浪潮，正得到極大的發展和應用。將物聯網技術應用于設施農業可以降低勞動成本、提高工作效率，從而實現溫室環境的自動化管理。但WSN節點能耗問題一直是制約農業物聯網發展的重要原因。

1890年，偉大的塞爾維亞裔美籍發明家尼古拉·特斯拉構想出無線輸電方法，利用電磁轉換技術來實現能量的無線傳輸。2007年，MIT的馬林·索爾賈希克等人成功點亮了距離電力發射端2 m以外的一盞60W燈泡，開創了磁共振式無線電能傳輸的先河。如今，無線充電技術已開始應用于生物醫療、電子機械、商業、軍事等領域。

1 農業物聯網面臨的困境

在農業物聯網中，節點能量一般由電池提供，但由于節點體積較小，電池容量有限。農業生產場所環境復雜，無線傳感網絡節點眾多，分布區域廣，工作人員很難接近，所以傳感節點能量很難補充。而傳感器節點能耗直接決定了物聯網的生命周期。

近年來，眾多科研工作者致力于如何降低傳感器節點能耗。2007年，章堅武等人提出在DVS的基礎上降低溢出概率或增加緩沖器長度可以進一步節省能耗。2014年，Chunawale等人利用群集法布置WSN節點，延長了網絡的壽命。2015年吳娟紅提出了一個數學隊列模型，利用最優解來優化傳感器節點的能量消耗，能夠有效延長網絡生命周期。但卻未能從根本上解決無線傳感網絡的節點能耗問題。

于是科研工作者開始利用太陽能技術對WSN節點進行電力補充。2009年，Denis等人提出了一種太陽能轉化WSN節點電能最優方法。2011年，胡奇勛等人采用了太陽能電源控制技術，獨特的電壓監測電路，以及低功耗的DC—DC轉換電路實現了WSN節點生命周期的顯著增加。但太陽能板成本較高，不適用于對經濟性要求較高的溫室大棚。

2 無線充電技術在農業物聯網的應用

2.1 無線充電方式的選擇

農業環境復雜多樣，地理位置偏僻分散。如溫室大棚，跨度大、區域廣、內部環境復雜，無線傳感器網絡節點分散。所以采用“WattUp”無線充電技術，可實現一對多的充電。

WattUp技術的高級之處在于，其可以通過空氣傳遞能量。它采用了類似WIFI的5.7GHz頻段，在無線接收器間傳輸電力。發射器大概有100多個小天線，每個天線發送相對較少的無線電波及電力，更加安全；而接收器能將無線射頻功率轉換成直流信號，可以實現4.6m范圍內的無線充電任務。

以跨度為6m、長度為50m、頂高為4m的玻璃溫室為例，在頂棚每隔3m放置1個無線Hub，在每個無線傳感網絡節點上安裝1個微型接收器，即可完成無線充電工作。

2.2 溫室無線充電技術應用前景

將無線充電技術應用于農業物聯網具有極大的優勢，可以從根本上解決WSN節點功耗問題，減少人力參與，提高溫室自動化管理水平。

2.3 溫室無線充電技術應用的問題與挑戰

2.3.1 可靠性問題

溫室處于高溫高濕的環境中，并且農作物生長復雜，植株高低難測，所以無線充電模塊的壽命及傳輸電力可靠性難以保證。

2.3.2 效率問題

無線充電效率低一直是制約無線充電技術發展的一大障礙，傳輸效率低無疑會增加電力的損耗和成本。

2.3.3 成本問題

如今，無線充電技術的發展仍處于研發階段，標準尚未統一，其相關模塊設備還沒有批量生產，所以其成本居高不下，難以得到大規模推廣應用。

3 結語

無線充電技術是現今乃至今后一段時間電子技術發展的一個重要方向，通過應用無線充電技術可以使人們從繁雜的線纜中解放出來。今后的發展方向主要在于解決標準問題，提高能效與傳輸距離，降低成本，普及大眾。隨著無線充電技術的不斷發展，無線充電技術對于農業物聯網的推廣將起到重要的推動作用，無線充電技術應用于農業物聯網中將具有重要意義及廣闊前景。

參考文獻

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