- 頭條天工大李陽教授團隊：無線傳感器網絡單線電能傳輸系統的電磁安全2022-07-25 作者：李陽、李垚 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語目前，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。天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室的研究人員李陽、李垚、王瑞、翟宇潔、石少博、胡濤成，在2022年第4期《電工技術學報》上撰文發表相關科研成果。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。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。
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。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。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。
圖1 兩種單線電能傳輸系統結構
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。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》，國外電磁場輻射標準中具有代表性的是IEEE C95.1和ICNIRP導則。
天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室的研究人員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。
圖2 實驗系統
研究人員對比分析后指出：
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。
研究人員最后認為，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。
本文編自2022年第4期《電工技術學報》，論文標題為“無線傳感器網絡單線電能傳輸系統的電磁安全性分析”，作者為李陽、李垚 等。
