工业物联网中的无线充电

微波无线能量传输系统的构建。（图片来源：TransferFi）

工业4.0，智能家居，智能建筑。

这三种技术趋势有一个共同点：它们并没有真正发挥作用。其中一个原因是，成功的实施需要无数不同的传感器和联网

设备，所有这些都需要能量。在工业物联网（IIoT）中，电缆供电非常昂贵。Advantech估计，对于由一个中央单元和

20个其它单元组成的有线传感器网络，假设平均彼此相距45米，则安装和布线约占调试成本的60%。此外，由于工资

成本，总成本会进一步增加。

二无线通讯，例如通过WiFi，Zigbee或低功耗蓝牙等，

已经消除了数据交换所需的布线。尽管如此，仍需布置电缆以提供能源。由于工业4.0将要安装大量的传感器和设备，

这项工作令人望而却步。这不仅阻碍了工业物联网的扩散，也阻碍了智能建筑、智能家居或智能电网应用的增长。此

外，移动应用，如自主机器人或物料跟踪器必须能够独立于电缆工作。

未来属于没有电缆的能源供应

无线电力供应主要采用三种技术：传统电池、从环境中产生能量（能量采集）和无线能量传输。电池的最大缺点是必须

定期更换电池，电池的更换间隔很大程度上取决于设备的功耗。在更换电池期间或电池过早发生故障时，IIoT设备以及

可能的相关机器都需要停止工作。由于这一停机期，这种能源供应方式的运行成本相对较高。更换电池还要付出额外代

价：仅在美国，总重量约为18万吨的电池每年都要送去回收或处理。

为IIoT设备供电的另一种方法是从环境中发电。例如，有一些经过尝试和测试的应用可以满足它们从环境热量、光线、

机器振动、运动甚至环境电磁辐射中汲取电力的需求。但部分低能量的可用性和在实现中增加的开发努力是不利的，无

论是在开发非常省电的嵌入式硬件和相关固件方面，还是在实际电源的开发方面都是如此。

第三种方法是无线功率传输（WPT）。这个概念并不新鲜：尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在芝加哥世界博览会

（Chicago World Exhibition）用灯泡演示了这一技术，并获得第二名。他于1897年9月向美国专利局提交了一项关于无

线电力传输的专利。1987年，加拿大通信研究中心发射了一架翼展为4.5米的电动飞机（固定式高空接力平台），它可

以通过2.45GHz的微波传输1kW功率，在21公里的高空飞行数小时。它能在一个直径2公里的圆圈内持续飞行。

波束成形可以显著提高功率传输效率。（图片来源：TransferFi）

不同应用不同技术

从技术上讲，无线能量传输大致可分为近场和远场两大类。两者都有各自的问题和解决办法。目前已经有许多经过测试

的近距离应用，其间距为几厘米到几米之间。它们都基于磁场耦合或电容功率传输（CPT）。

磁场耦合又有两种不同的版本：电磁感应方法（电磁感应功率传输（IPT）），例如用于给电动牙刷、智能手机或电动

公共汽车充电，或磁共振功率传输（MRPT）。

后者在2006年和2007年通过麻省理工学院（MIT）的研究才经历了复苏。这两种技术都有一个共同点，即发射机和接

收机的线圈必须精确对准，才能实现良好的传输。这种固定方式具有非常高的效率，通常超过80%，并且允许几米的最

大传输距离。

在近场中使用的另一种技术是电容功率传输（CPT），它使用电场耦合代替磁场耦合。这项技术主要用于移动机器人充

电和给电动汽车充电。两个电容器极板之间的最大距离为几十厘米，效率达90%以上。

声功率传输（APT）也是一种特殊情况。这种方法使用声音，通常在0.5MHz至2.25MHz的范围内，用于电力传输。电能

通过变压器在发射器中转化为声音，再转换回接收器。这种技术最常用在医疗植入物上，其功率为毫瓦级，效率为个位

数百分率。

远场的特别要求

根据IIoT的要求，一些技术也被用于远场功率传输。它们的共同点是依赖无线电波或光波，而不是磁场或电场。

一种方法是通过激光功率传输（LPT）进行传输，其波长接近可见光或红外光谱。发射的激光束通过接收器中的激光功

率转换器转换回电能。这使得以非常高的性能实现远距离桥接成为可能，目前正在对这项技术用于卫星电源进行评估。

但发射机和接收机之间需要直接的视线（LOS）接触，以实现激光束的精确聚焦。这种技术对云、雾、雨或灰尘都很敏

感。此外，出于安全原因，激光束区域内不得有人。

另一种传输方法是红外传输，如Wi充电。这种方法的效率接近100%，但像LPT一样需要一个直接的视线。其传输功率

随着距离的增加而略有下降，目前传输功率仅数瓦特。由于使用自然光，红外线传输被认为是非常安全的。

微波是目前的首选

在远场领域，微波功率传输（微波功率传输/MWPT）是目前最常见的，有许多不同的制造商都可提供。原则上，这种

技术类似于在无线通信中通过高频传输数据，并且允许将数据传输集成到功率传输中。它适用于50米以下的相对较长

的距离，并且不需要发射器和接收器之间的直接视觉接触。

为了将尽可能多的能量传输给接受者，通常采用波束成形来有针对性地解决，并将衍射最小化。由于安全法规要求尽量

减少人体辐射曝露，许多国家对最大发射功率加以限制。MWPT用于电动汽车、移动机器人充电，或用于IIoT制造机器

的监控、建筑管理和预测性维护。频率范围从869MHz到940MHz（例如：TransferFi、Energous、Reach Labs或

Powercast）以及2,4GHz（Ossia）和5,8GHz频带。

TransferFi IIoT中用于能量和数据传输的Turin-1系统。（图片来源：TransferFi）

系统内最多接入32个IIoT设备

新加坡TransferFi公司最近推出的Turin-1系统是结合微波功率传输和数据传输的WPT应用。该平台由TFi网关和TFi传感

器节点组成。网关有一个二维天线阵列，集成了相位和功率控制，以实现有效的波束成形。此外，还具有一个自动校准

系统，可根据IIoT设备的位置优化天线和信号的对准。其50米的传输距离足以覆盖工厂厂房，且目标设备也可以运动。

TFi网关最多支持32个TFi传感器模块。

TransferFi的TFi网关支持多达32个TFi传感器模块，并独立优化天线对准和性能。（图片来源：TransferFi）

TFi传感器可以具有温度、湿度和压力、声音、挥发性化合物（总挥发性有机化合物（TVOC）和3轴加速计的传感器。

此外，其边缘计算还具有足够的计算能力。接收硬件经过特别优化，以提高效率。

该系统具有可扩展性和开放性，具有硬件和应用的灵活性。开发的目的是使工业4.0、智能建筑和智能家居中的应用实现无创无线电力传输，以避免这些应用中的复杂布线。目前，其目标是通过CE和FCC认证。TransferFi很快就会发布一个开发工具包。