天津工业大学李阳教授团队: 无线传感器网络单线电能传输系统的电磁安全性分析

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目前，无线传感器网络最成熟的供电方式是电池供电，但由于该方法需要频繁更换电池，导致供电可靠性变差。单线电能传输可以兼顾传输距离与传输效率，同时具有分布灵活、无方向性的特点，因此可以用来解决无线传感器网络电池供电的问题。天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员李阳、李垚、王瑞、翟宇洁、石少博、胡涛成，在2022年第4期《电工技术学报》上撰文发表相关科研成果。研究表明，与有电容球系统相比，无电容球系统的各物理量数值均小于有电容球系统，其更符合限制时变电场和磁场的安全标准。

无线传感器网络是由大量部署在监测区域内具有感知、计算、存储和无线通信能力的微型节点组成的大范围、长期性对监测区域进行全面感知和精确控制的特殊网络。无线传感器网络因具有低功耗、低成本、分布式、自组织等特点，在国家安全、环境监测、工业生产等领域有着广阔的应用前景。

目前，无线传感器网络最成熟的供电方式是电池供电，但是这种方式需要频繁更换电池，电池更换不及时会导致电能供给不足，进而导致节点故障甚至网络中断。针对无线传感器网络电池供电可靠性差的问题，科研人员提出多种解决方案，其中之一就是利用单线电能传输方法为无线传感器网络供电。

单线电能传输是一种新型的电能传输方法，它仅使用单根导线连接电源与用电设备。单线电能传输系统按结构可分为有电容球系统和无电容球系统两种，同时线圈结构可分为螺旋桶形线圈和平面螺旋线圈。由于螺旋桶形线圈体积大，不适用于无线传感器网络供电场景，因此采用平面螺旋线圈结构。无论何种结构，单线电能传输系统在工作时都会产生高频时变电磁场。因此，需要对这种高频时变电磁场的分布特性及其对人体产生的影响进行深入研究。

图1 两种单线电能传输系统结构

单线电能传输系统电磁安全性研究一方面可以帮助理解单线电能传输系统的工作过程及传输机理；另一方面为减小单线电能传输系统产生的电磁辐射提供了依据。研究单线电能传输系统的电磁安全性需要考虑电磁环境下的生物效应，少量的电磁辐射可造成皮肤发热、神经疼痛，大量电磁辐射可导致神经紊乱、心脏衰竭、灼伤甚至死亡。目前，国内采用的电磁辐射标准是GB 8702 2014《电磁环境控制限值》，国外电磁场辐射标准中具有代表性的是IEEE C95.1和ICNIRP导则。

天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员针对单线电能传输系统电磁安全性问题，首先建立有电容球、无电容球两种单线电能传输系统模型及人体模型；然后对两种系统模型的电磁安全性进行仿真分析，主要对比研究了二者的空间电磁场分布、空间电磁场强度、体内电场强度和体内电流密度；最后利用实验的方法对仿真结果进行验证。

图2 实验系统

研究人员对比分析后指出：

1）从空间电场角度分析，有球系统发射端和接收端的电场限值限制距离要高于无球系统发射端和接收端的电场限值限制距离，虽然单线中间部分无球系统电场限值限制距离略高于有球系统电场限值限制距离，但无球系统电场限值整体覆盖范围比有球系统电场限值整体覆盖范围小，表明无球系统更安全。

2）从空间磁场角度分析，有球系统磁场限值覆盖范围大于无球系统磁场限值限制覆盖范围，表明无球系统更安全。

3）从器官电场强度角度分析，有球系统各器官电场强度最大值约为无球系统各器官电场强度最大值的1.7～2.3倍，表明无球系统更安全。

4）从器官电流密度角度分析，有球系统各器官电流密度最大值约为无球系统各器官电流密度最大值的1.7～2.3倍，表明无球系统更安全。

研究人员最后认为，相比于有球单线电能传输系统，无球单线电能传输系统更安全，更适用于无线传感器网络。

本文编自2022年第4期《电工技术学报》，论文标题为“无线传感器网络单线电能传输系统的电磁安全性分析”，作者为李阳、李垚 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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