基于LoRa+無線充電的充電無人機的設計與實現(xiàn)

石玉 雷程鑫 杜澤仁 柳海楠

摘要：本文所設計的充電無人機通過在無人機上搭載LoRa+無線通信模塊和無線充電模塊，對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)無線充電。其中無線通信模塊用來獲取無線傳感器節(jié)點的電量信息，并通過LoRa模塊將電量信息無線傳送給用戶端，由用戶端判斷電量是否充足。若電量充足則進行下個無線傳感器節(jié)點的電量檢測，若電量不足則控制無人機飛至需充電的節(jié)點處，利用充電無人機所攜帶的無線充電模塊對無線傳感器節(jié)點進行充電。實驗證明，該充電無人機可實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的無線充電，且提前預判了節(jié)點電量狀態(tài)，減少了無人機的飛行次數(shù)。

關(guān)鍵詞：無線充電；LoRa；無人機

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0257-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 簡介

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航運、交通、智慧生活等方方面面發(fā)揮了重要的作用。其中物聯(lián)網(wǎng)的感知離不開各種各樣的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點功耗低、部署密集，多數(shù)采用電池供電，部分工作在人不方便接觸的地方，如海底、火山口等。傳感器節(jié)點電量耗盡則退出網(wǎng)絡，壽命殆盡。為保證感知及數(shù)據(jù)采集過程正常進行，需繼續(xù)補充新的傳感器節(jié)點。

為解決上述問題，本文設計了一種基于LoRa+無線充電的充電無人機。無人機利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)點。可以應對于一些特殊環(huán)境（如火山口，高空等）進行勘探收集信息。在無人機上裝載低功耗LoRa無線通信模塊，可通過無人機和傳感節(jié)點進行遠程通信交互判斷節(jié)點是否需要充電。如需充電，無人機將攜帶無線充電模塊飛至需充電的節(jié)點處進行無線充電。

2 無線充電技術(shù)及LoRa無線通信技術(shù)簡介

無線充電技術(shù)是源于無線電力輸送技術(shù)產(chǎn)生的一種新型充電技術(shù)。無線充電技術(shù)利用近場感應，由無線充電器將能量傳送至需要充電的設備，該設備使用接收到的能量對電池進行充電，且為設備本身的運作提供能量。無線充電器與充電設備之間通過電感耦合來傳送能量，因此無須電線連接，可以做到無導電接點外露[1]。本系統(tǒng)的無線充電分為兩部分，充電板給無人機充電，無人機攜帶足夠的能量再給無線傳感器節(jié)點充電。

LoRa是一種無線通信技術(shù)，相比于其他技術(shù)，LoRa更容易以一種低功耗的方式進行遠距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電，對建筑物的穿透力也很強。不僅如此，LoRa技術(shù)可以有效地抗擊干擾和實現(xiàn)加密，而且還可以實現(xiàn)空空距離通信，如：連接湖，河，平原，山區(qū)等。最重要的是，LoRa的成本較低[2]?；谝陨蠋c，我們選擇用LoRa技術(shù)實現(xiàn)無線通信。。

3 無線充電無人機的設計

3.1 無線充電模塊的設計

市場比較主流的無線充電技術(shù)主要有三種，即電磁感應無線充電、無線電波無線充電、以及共振作用無線充電。本系統(tǒng)采用Qi無線充電標準。Qi標準采用了最為主流的電磁感應技術(shù)。充電模塊的初級線圈通有一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端[3]。

其中，無人機上攜帶線圈1，由24V電池對其進行供電。無線傳感節(jié)點處放置線圈2，與無線傳感節(jié)點相連，并連接有充電指示燈。當無人機上攜帶的線圈1靠近無線傳感節(jié)點的線圈2時，利用線圈1的交變電磁場感應線圈2進行充電。若開始充電，則指示燈亮。

3.2 無線通信模塊設計

通過在遙控或無人機上裝載發(fā)送信號器，在無線傳感節(jié)點上安裝接收器，實現(xiàn)無線信號收發(fā)。本系統(tǒng)通過在信號發(fā)送端和接收端分別安裝LoRa通信模塊進行實現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用Arduino開發(fā)板搭載ESP32芯片對LoRa節(jié)點進行控制。ESP32芯片可通過I/O口采集傳感器節(jié)點電量信息，并將剩余電量通過開發(fā)板集成的液晶顯示屏進行顯示。同時可通過LoRa模塊將電量信息通過發(fā)送子程序發(fā)送給發(fā)端的LoRa模塊。若電量顯示充足，則跳過此節(jié)點檢測下一個節(jié)點。若電量顯示不足，則控制無人機飛至需充電節(jié)點處，利用線圈互感進行無線充電。

3.3 整體設計

分步完成這些模塊后，需要將無線充電模塊和無線通信模塊加載在無人機上。本系統(tǒng)采用的是二次開發(fā)無人機，自帶單片機微型處理器。本系統(tǒng)中無人機直接綁定攜帶已充電的電池及充電線圈。無人機攜帶的電池可采用220V家用電進行反復充電。無線通信模塊通過和無人機上的單片機I/O口相連，實現(xiàn)無人機對無線通信模塊的控制。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)旨在解決無線傳感節(jié)點的無線充電問題。一個無線傳感器網(wǎng)絡可能存在成百上千個節(jié)點，甚至在一些惡劣的環(huán)境中，無線傳感器節(jié)點一旦部署固定，直至壽命殆盡。通過為傳感器節(jié)點進行無線充電可延長無線傳感器節(jié)點的工作時間。本系統(tǒng)分別對無線充電模塊和無線通信模塊進行設計，并搭載在無人機上，較好地實現(xiàn)了這一功能。通過LoRa檢測，只需對判斷需要充電的節(jié)點進行充電，同時減少了無人機的飛行次數(shù)。

參考文獻：

[1]郭言平.無線充電的關(guān)鍵技術(shù)和研究[J]. 合肥學院學報（自然科學版） ，2012（2）.

[2]趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡技術(shù)分析[J].移動通信 2016，40（21）：50-57.

[3]J. Bernhard， K. Hietpas， E. George， D. Kuchima， and H. Reis.An interdisciplinary effort to develop a wireless embedded sensor system to monitor and assess corrosion in the tendons of prestressed concrete girders. in Proc.IEEE Topical Conf. Wireless Communication.2003， pp. 241-243.

【通聯(lián)編輯：梁書】