無線傳感器網絡單線電能傳輸系統的電磁安全性分析

李 陽 李 垚 王 瑞 翟宇潔 石少博 胡濤成

無線傳感器網絡單線電能傳輸系統的電磁安全性分析

李 陽 李 垚 王 瑞 翟宇潔 石少博 胡濤成

（天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

目前，無線傳感器網絡最成熟的供電方式是電池供電，但由于該方法需要頻繁更換電池，導致供電可靠性變差。單線電能傳輸可以兼顧傳輸距離與傳輸效率，同時具有分布靈活、無方向性的特點，因此可以用來解決無線傳感器網絡電池供電的問題。該文針對單線電能傳輸系統電磁安全性問題，首先建立有電容球、無電容球兩種單線電能傳輸系統模型及人體模型；然后對兩種系統模型的電磁安全性進行仿真分析，主要對比研究了二者的空間電磁場分布、空間電磁場強度、體內電場強度和體內電流密度；最后利用實驗的方法對仿真結果進行驗證。研究表明，與有電容球系統相比，無電容球系統的各物理量數值均小于有電容球系統，其更符合限制時變電場和磁場的安全標準。

無線傳感器網絡 單線電能傳輸 電磁安全 仿真分析

0 引言

無線傳感器網絡是由大量部署在監測區域內具有感知、計算、存儲和無線通信能力的微型節點組成的大范圍、長期性對監測區域進行全面感知和精確控制的特殊網絡[1-4]。無線傳感器網絡因具有低功耗、低成本、分布式、自組織等特點，在國家安全、環境監測、工業生產等領域有著廣闊的應用前景[5-7]。目前，無線傳感器網絡最成熟的供電方式是電池供電，但是這種方式需要頻繁更換電池，電池更換不及時會導致電能供給不足，進而導致節點故障甚至網絡中斷[8]。針對無線傳感器網絡電池供電可靠性差的問題，科研人員提出多種解決方案，其中之一就是利用單線電能傳輸方法為無線傳感器網絡供電。

單線電能傳輸是一種新型的電能傳輸方法，它僅使用單根導線連接電源與用電設備[9]。單線電能傳輸系統按結構可分為有電容球系統和無電容球系統兩種，同時線圈結構可分為螺旋桶形線圈和平面螺旋線圈。由于螺旋桶形線圈體積大，不適用于無線傳感器網絡供電場景，因此采用平面螺旋線圈結構。無論何種結構，單線電能傳輸系統在工作時都會產生高頻時變電磁場。因此，需要對這種高頻時變電磁場的分布特性及其對人體產生的影響進行深入研究。

單線電能傳輸系統電磁安全性研究一方面可以幫助理解單線電能傳輸系統的工作過程及傳輸機理；另一方面為減小單線電能傳輸系統產生的電磁輻射提供了依據。研究單線電能傳輸系統的電磁安全性需要考慮電磁環境下的生物效應，少量的電磁輻射可造成皮膚發熱、神經疼痛，大量電磁輻射可導致神經紊亂、心臟衰竭、灼傷甚至死亡[10]。目前，國內采用的電磁輻射標準是GB 8702-2014《電磁環境控制限值》[11]，國外電磁場輻射標準中具有代表性的是IEEE C95.1[12]和ICNIRP導則[13-14]。

本文主要研究內容是無線傳感器網絡單線電能傳輸供電方法的電磁安全性，首先介紹了電磁輻射的生物學效應及兩種為無線傳感器網絡供電的單線電能傳輸系統，然后建立了單線電能傳輸系統模型及人體模型，仿真系統空間電磁場分布、空間電磁場強度、人體體內電場強度和電流密度，將兩個系統的數據進行對比，并進行實驗驗證。

1 原理分析

1.1 電磁輻射的生物學效應

電磁波的生物學效應是指生物體在吸收電磁波后所產生的與生命現象有關的響應，可以分為熱效應、非熱效應和累計效應三個方面[15-16]。熱效應是指生物組織內的水分子在電磁環境下會產生摩擦運動，使得生物體溫度升高，導致組織和器官不能正常工作。非熱效應是指一旦受到外界電磁環境影響，人體本身的電磁場被打破，生物體內組織和器官也會受到一定的影響。累計效應是指生物體在受到電磁傷害后未來得及自我恢復而再一次受到電磁作用，傷害累計后形成的永久性病態。

生物體的組織不同，其對電磁場產生的響應也不同，這種組織自身具有的性質稱為電磁特性，生物體的電磁特性分為導電特性和介電特性[17]。生物組織內有大量的自由電子存在，當這些自由電子處于電磁環境中時就會進行移動，此種現象就是組織的導電特性，其通常用電導率進行描述。生物組織內有大量的束縛電荷存在，在電磁場作用下，這些電荷會不斷地進行移動，從而使生物組織表現出一定的電磁特性，這種特性就是生物組織的介電特性，其通常用介電常數來描述。在不同頻率下，人體器官具有不同的電導率和介電常數，電導率和介電常數決定了人體器官在電磁場環境下的電磁場強度，當人體的電磁場強度超過一定限值會對人體產生傷害[18-22]。

1.2 單線電能傳輸系統

大多數參考文獻中提出的單線電能傳輸系統結構如圖1所示，該結構由特斯拉無線電能傳輸系統演化而來，系統由電源、頂端導體、發射端初級線圈、發射端次級線圈、單線、接收端初級線圈、接收端次級線圈、負載組成。次級線圈一端通過單導線連接，另一端與電容球連接，初級線圈分別與電源和負載連接[23-24]。

圖1所示系統中的次級線圈體積往往很大，工作時頂端導體也會產生巨大的電壓，因此該結構不適合為無線傳感器網絡供電。本文采用的單線電能傳輸系統在圖1系統基礎上進行了改進，系統結構如圖2所示。發射線圈和接收線圈采用平面螺旋線圈，平面螺旋線圈具有更小的體積，更適合無線傳感器網絡供電場景，同時，圖2b中的系統在圖2a系統的基礎上去掉了電容球。新型電能傳輸系統的基本特性及其對無線傳感網供電的可行性，文獻[25]已詳細論述，本文不再贅述。

圖1 單線電能傳輸系統

（a）有球系統

（b）無球系統

圖2 兩種單線電能傳輸系統結構

Fig.2 Two structure diagrams of single wire power transfer system

2 模型建立

2.1 單線電能傳輸系統模型

利用有限元分析軟件建立的兩種單線電能傳輸系統仿真模型如圖3所示。圖3a中，電容球的存在會產生分布電容，導致系統諧振頻率發生變化，但在相關電磁輻射限值標準的規定中，不同頻率下電磁場強度和其他物理量限值不同，即不同頻率下的評判標準不同，因此無法在不同頻率下對比兩個系統的電磁安全性。為了對比研究兩系統的電磁安全性，本文調節線圈匝數使得兩個系統的諧振頻率相同。

圖3 兩種單線電能傳輸系統模型

兩系統中線圈相同的參數為：線徑1.14mm、匝間距10mm、內徑50mm、傳輸距離5m、傳輸功率為100W。帶電容球的單線電能傳輸系統次級線圈匝數為15，電容球距離次級線圈的高度為1.5m，不帶電容球的單線電能傳輸系統匝數為16。通過對整個系統的掃頻，得到兩系統效率最高時的頻率為6.26MHz，即兩系統的工作頻率為6.26MHz。

2.2 人體模型

本文利用Mimics對人體及主要器官進行三維重建。將獲得的人體CT圖像轉化為DICOM格式進行存儲并導入到Mimics軟件中，將CT圖像冠狀面和矢狀面設置成相應視圖，設置完成后，Mimics軟件會自動生成3個不同的視圖以及三維模型。

進行組織結構的構建時，可以利用不同的閾值對不同密度的器官組織進行區分，以完成圖像分割。然后，對人體模型進行圖像處理、區域增長、空間填補，使器官之間相互分離，器官和模型表面更加光滑。將處理后的人體三維模型進行有限元前處理，但是利用Mimics建模只能得到面網格模型，因此進行有限元仿真分析仍然需要在COMSOL中進行體網格劃分等后續工作。

本文采用的人體模型為1.75m雙手上舉站立的男性，人體內部器官包括大腦、心臟、肝臟、胃部、肺部、腎臟等，在此基礎上建立的人體模型如圖4所示。

圖4 人體與系統的相對位置

3 仿真分析

3.1 空間電磁場分布

分別對兩系統的電磁場分布情況進行仿真來驗證電容球對單線電能傳輸系統電磁場分布的影響。設置場線的起點個數相同，得到仿真結果如圖5所示，可以通過場線分布的疏密來分析電磁場分布。通過圖5可知，電容球的存在使電場和磁場的分布產生差異，這就使得兩系統的電磁安全性產生差異。通過對比圖5a和圖5b可知，電容球附近的電場線和磁場線相對密集，即電容球附近的電場強度和磁

圖5 兩種單線電能傳輸系統的電磁場分布

場強度較大。這使電容球附近的電磁安全性更差，也表明有球系統電磁安全性更低。

3.2 空間電磁場強度

分別對兩個單線電能傳輸系統的電磁場強度進行仿真，得到的電場強度和磁場強度分布如圖6所示。可以看出，有球系統中電容球和其連接線處的電場強度明顯更高。

圖6 電場強度和磁場強度分布

為對比兩系統電場由于結構差異造成的電磁輻射差異，對各標準限值下的安全距離進行比較。本文兩系統所在頻率范圍下采用的相關標準中規定的適用于公眾曝露的限值分別為：GB 8702-2014《電磁環境控制限值》規定在3～30MHz下電場強度為67/1/2V/m、磁場強度為0.17/1/2A/m；ICNIRP 1998導則規定在1～10MHz下的電場強度為87/1/2V/m、磁場強度為0.73/A/m；ICNIRP 2010導則規定在3kHz～10MHz下的電場強度為83V/m、磁場強度為21A/m；IEEE C95.1規定在3～30MHz下的電場強度為823.8/V/m、磁場強度為16.3/A/m。以上頻率以MHz為單位，具體數值數據見表1，由于在各標準中GB 8702-2014《電磁環境控制限值》所規定的公眾暴露限值最為嚴格，因此本文采用電場強度為26.78V/m、磁場強度為0.068A/m作為評判 標準。

用本文所使用的電場強度和磁場強度限值對兩系統進行限定，得到電場強度為26.78V/m的等值面、磁場強度為0.068A/m的等值面如圖7所示。可知，有球系統超過限值的區域基本上覆蓋了無球系統超過限值的區域。

表1 各標準中的電場強度和磁場強度限值

Tab.1 The limits of electric field strength and magnetic field strength in each standard

圖7 電場強度和磁場強度限值限定距離空間

因系統鋪設方式為線圈平鋪于地面，所以選擇測量俯視圖情況下符合標準的安全距離更為直觀。測量以下四個距離：發射線圈沿單線方向的安全距離、發射線圈沿垂直于單線方向的安全距離、接收線圈沿垂直于單線方向的安全距離、接收線圈沿單線方向的安全距離，如圖7b所示。距離越小說明電磁輻射不符合標準的范圍越小，距離越大說明范圍越大。

有球系統的電場限值限定距離、、、分別為2.46m、2.34m、2.09m、2.25m，磁場限值限定距離、、、分別為1.08m、0.89m、1.12m、0.96m。無球系統的電場限值限定距離、、、分別為2.13m、1.98m、1.82m、1.93m，磁場限值限定距離、、、分別為0.99m、0.83m、1.15m、0.96m。在單線中間部分，無球系統電場限值限定距離要略高于有球系統電場限值限定距離。綜合對比兩系統的4個安全距離及整體覆蓋范圍可知，無球系統高于標準限值的區域更小，即無球系統的電磁安全性優于有球系統的電磁安全性。

3.3 體內電場強度

將人體模型分別導入兩種單線電能傳輸系統中，以有球系統為例，其相對位置如圖4所示。線圈鋪設于地面，人體呈站立姿勢，位于發射線圈前30cm處，背對于發射線圈。

在6.26MHz的情況下人體主要器官的電導率、相對介電常數、相對磁導率和密度見表2，將電導率、相對介電常數、相對磁導率和密度添加到各器官的材料屬性中。

表2 人體主要器官電磁參數

Tab.2 The electromagnetic parameters of the main organs in human body

對各個器官的電場強度最大值進行仿真計算，得到的結果如圖8所示。可知，無球系統中各個器官電場強度最大值小于有球系統各個器官電場強度最大值。從兩單線電能傳輸系統的總體情況可以看出，肝臟和腎臟的電場強度較大，而大腦和心臟的電場強度較小。

圖8 人體器官的體電場強度最大值

器官表面的電場強度分布如圖9所示。可知，腎臟表面電場強度最大，大腦表面電場強度最小。根據圖中各器官的顏色變化規律，本文推測越靠近線圈的器官受到的輻射越大，器官表面的電場強度也就越大。通過圖8和圖9對兩系統中人體內器官電場強度的綜合對比，可知，無球系統中器官電場強度最大值更低，即無電容球的單線電能傳輸系統的電磁安全性優于有球的單線電能傳輸系統。

圖9 器官表面的電場強度分布

3.4 體內電流密度

對處于兩系統中的人體重要器官的電流密度進行仿真計算，得到的器官電流密度最大值數據見表3。

表3 器官電流密度最大值

通過表3可知，無球系統中的人體器官電流密度最大值小于有球系統中的人體器官電流密度最大值。其中，電流密度最大的器官是胃部，電流密度最小的器官是腦部。

4 實驗驗證

本文對空間電磁場限值距離進行實驗驗證，實際建立兩種單線電能傳輸系統如圖10所示。利用電磁場測量儀對兩系統的空間電磁場強度限值的安全距離進行實際測量，得到的數據見表4、表5。因實驗室環境復雜和測量儀器的固有誤差，實驗數據與仿真數據存在一定差異。

圖10 實驗系統

表4 電場限值距離

Tab.4 The distances defined by the electric field

表5 磁場限值距離

Tab.5 The distances defined by the magnetic field

通過表4數據可知，無球系統的電場限值距離整體低于有球系統，符合仿真情況。但是從表5數據可知，無球系統的磁場限值距離與有球系統差距不大。將仿真結果與實驗結果相對比，實驗數據與仿真數據基本吻合。

5 結論

本文針對無線傳感器網絡可用的兩種單線電能傳輸系統電磁安全性進行對比分析，結論如下：

1）從空間電場角度分析，有球系統發射端和接收端的電場限值限制距離要高于無球系統發射端和接收端的電場限值限制距離，雖然單線中間部分無球系統電場限值限制距離略高于有球系統電場限值限制距離，但無球系統電場限值整體覆蓋范圍比有球系統電場限值整體覆蓋范圍小，表明無球系統更安全。

2）從空間磁場角度分析，有球系統磁場限值覆蓋范圍大于無球系統磁場限值限制覆蓋范圍，表明無球系統更安全。

3）從器官電場強度角度分析，有球系統各器官電場強度最大值約為無球系統各器官電場強度最大值的1.7～2.3倍，表明無球系統更安全。

4）從器官電流密度角度分析，有球系統各器官電流密度最大值約為無球系統各器官電流密度最大值的1.7～2.3倍，表明無球系統更安全。

綜上所述，相比于有球單線電能傳輸系統，無球單線電能傳輸系統更安全，更適用于無線傳感器網絡。

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Electromagnetic Safety Analysis on Single Wire Power Transfer System Based on Wireless Sensor Networks

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tiangong University Tianjin 300387 China）

At present, the most mature power supply method for wireless sensor networks is battery, but this method requires frequent battery replacement, resulting in poor power supply reliability. Single wire power transfer can take into account the transmission distance and transmission efficiency, and has the characteristics of flexible distribution and non-directivity. Therefore, it can be utilized to solve the problem of reliability of battery in wireless sensor networks. Aiming at the electromagnetic safety problem of single wire power transfer system, two single wire power transfer system models with and without capacitor balls, and human body models were first established. Then, the electromagnetic safety of the two system models was simulated and analyzed. The spatial electromagnetic field distribution, the spatial electromagnetic field strength, the electric field strength in vivo and the current density in vivo of the two systems are compared. Finally, the experimental system was used to verify the simulation. The results show that, compared with the system with the capacitor balls, the value of each physical quantity of the system without capacitor balls is smaller, which is more in line with the safety standards of limiting time-varying electric and magnetic fields.

Wireless sensor networks, single wire power transfer, electromagnetic safety, simulation analysis

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90235

TM15

李 陽 男，1979年生，教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸理論與應用。E-mail: liyang@tiangong.edu.cn（通信作者）

李 垚 女，1996年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術。E-mail: ly1931065389@163.com

2020-07-04

2020-10-28

國家自然科學基金（51877151, 51577133）和天津市高等學校創新團隊培養計劃（TD13-5040）資助項目。

（編輯 崔文靜）