無線充電技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景

蘇光燦++魏軼凡

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)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(wǎng)絡(luò)的節(jié)點功耗一直是制約農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實用化的重要因素。無線充電技術(shù)作為一種新型電能傳輸技術(shù)，受到了科研工作者越來越多的關(guān)注。因為它降低了傳輸時可能出現(xiàn)的安全隱患，極大地為設(shè)備供電提供了方便，具有極強的環(huán)境適應(yīng)能力。所以，將無線充電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中將具有重要意義及廣闊前景。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；無線充電技術(shù)

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

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了各個強國的極大關(guān)注，作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，正得到極大的發(fā)展和應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)可以降低勞動成本、提高工作效率，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動化管理。但WSN節(jié)點能耗問題一直是制約農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要原因。

1890年，偉大的塞爾維亞裔美籍發(fā)明家尼古拉·特斯拉構(gòu)想出無線輸電方法，利用電磁轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)能量的無線傳輸。2007年，MIT的馬林·索爾賈?？说热顺晒c亮了距離電力發(fā)射端2 m以外的一盞60W燈泡，開創(chuàng)了磁共振式無線電能傳輸?shù)南群?。如今，無線充電技術(shù)已開始應(yīng)用于生物醫(yī)療、電子機械、商業(yè)、軍事等領(lǐng)域。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的困境

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點能量一般由電池提供，但由于節(jié)點體積較小，電池容量有限。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場所環(huán)境復(fù)雜，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多，分布區(qū)域廣，工作人員很難接近，所以傳感節(jié)點能量很難補充。而傳感器節(jié)點能耗直接決定了物聯(lián)網(wǎng)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(jié)點能耗。2007年，章堅武等人提出在DVS的基礎(chǔ)上降低溢出概率或增加緩沖器長度可以進一步節(jié)省能耗。2014年，Chunawale等人利用群集法布置WSN節(jié)點，延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。2015年吳娟紅提出了一個數(shù)學隊列模型，利用最優(yōu)解來優(yōu)化傳感器節(jié)點的能量消耗，能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。但卻未能從根本上解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能耗問題。

于是科研工作者開始利用太陽能技術(shù)對WSN節(jié)點進行電力補充。2009年，Denis等人提出了一種太陽能轉(zhuǎn)化WSN節(jié)點電能最優(yōu)方法。2011年，胡奇勛等人采用了太陽能電源控制技術(shù)，獨特的電壓監(jiān)測電路，以及低功耗的DC—DC轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)了WSN節(jié)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(jīng)濟性要求較高的溫室大棚。

2 無線充電技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 無線充電方式的選擇

農(nóng)業(yè)環(huán)境復(fù)雜多樣，地理位置偏僻分散。如溫室大棚，跨度大、區(qū)域廣、內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分散。所以采用“WattUp”無線充電技術(shù)，可實現(xiàn)一對多的充電。

WattUp技術(shù)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(fā)射器大概有100多個小天線，每個天線發(fā)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(zhuǎn)換成直流信號，可以實現(xiàn)4.6m范圍內(nèi)的無線充電任務(wù)。

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(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shù)應(yīng)用前景

將無線充電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有極大的優(yōu)勢，可以從根本上解決WSN節(jié)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(shù)應(yīng)用的問題與挑戰(zhàn)

2.3.1 可靠性問題

溫室處于高溫高濕的環(huán)境中，并且農(nóng)作物生長復(fù)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(shù)發(fā)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(shù)的發(fā)展仍處于研發(fā)階段，標準尚未統(tǒng)一，其相關(guān)模塊設(shè)備還沒有批量生產(chǎn)，所以其成本居高不下，難以得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

無線充電技術(shù)是現(xiàn)今乃至今后一段時間電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，通過應(yīng)用無線充電技術(shù)可以使人們從繁雜的線纜中解放出來。今后的發(fā)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(shù)的不斷發(fā)展，無線充電技術(shù)對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣將起到重要的推動作用，無線充電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中將具有重要意義及廣闊前景。

參考文獻

[1]李萍萍，王紀章.溫室環(huán)境信息智能化管理研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2014（4）：236-243.

[2]武娟紅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點功耗研究[J].山西電子技術(shù)， 2015（3）：86-87.

[3]Anisi M H，Abdul-Salaam G，Abdullah A H.A survey of wireless sensor network approaches and their energy consumption for monitoring farm fields in precision agriculture[J].Precision Agriculture，2015，16（2）：216-238.

[4]Kaur S，Rajni， Singh B P.A Review of Energy-Efficient Routing Protocols in Wireless Sensor Networks[M].Proceedings of the International Conference on Recent Cognizance in Wireless Communication & Image Processing. Springer India，2016.endprint