摘 要

随着技术和人们需求的不断发展，物联网已经开始了向人们生活的方方面面的渗透。伴随着物联网的广泛运用，无线设备数量也随之快速增加。据预计，全球物联网设备在今年将达到64亿台。但是，无线设备的能量供应问题一直没能得到有效的解决，设备中的电池容量在很大程度上限制着无线物联网节点的寿命，这一点制约着物联网的发展。而通过无线能量为无线设备供应能量，是解决物联网设备供电问题的一套行之有效的方案。如果能够通过无线的方式对传感器平台进行供能，可以节省很多人力物力，延长传感器网络的寿命，有利于物联网的发展。

本文所展示的无线能量收集系统由天线、整流放大模块、能量存储模块和稳压模块组成的无线能量收集模块以及传感器模块组成。无线能量收集模块中核心的部分是整流放大模块，这部分使用商用芯片P2110B实现。传感器模块用开源硬件Arduino实现。将两大模块对接验证所设计的无线能量收集模块的性能。

本文的主要研究工作如下：

1. 介绍了无线能量传输的相关原理，并介绍了国内外相关研究的现状，分析了使用无线的方式给传感器供能的可行性。设计出了无线能量传输的相关流程。
2. 根据搜集的资料，决定了实现无线能量传输系统的具体实现方案，并使用Cadence绘制出了相关的电路原理图以及PCB图纸。
3. 对绘制出的PCB板使用ADS软件进行高频仿真，在仿真的结果基础上对电路进行调整，使电路的射频部分在工作频率下能够达到较高的性能。
4. 对Arduino进行了介绍，将Arduino作为本次设计所采用的传感器平台，并进行了相关的编程工作。
5. 将各个模块组合在一起，进行了性能测试的实验。

关键词：无线能量传输；P2110B；Cadence；ADS仿真；Arduino

Abstract

With the continuous development of technology and people's needs, Internet of Things begun to permeate every aspect of people's lives. With the extensive use of the Internet of Things, the number of wireless devices also increases rapidly. It is estimated that global equipment of IoT will reach 6.4 billion this year. However, the energy supply of wireless devices has not been able to get an effective solution, the device battery’s capacity greatly limits the life of wireless networking nodes, restricting the development of IoT. Powering the devices with a method of wireless power transforming, it is an effective solution to the problem of powering the network equipment. If you can run a sensor platform wirelessly, people can save a lot of manpower and resources and extend the life of the sensor network. It is conducive to the development of IoT.

This article demonstrated a wireless energy harvesting system consists of an antenna, rectifier amplifier module, and an energy storage module voltage regulator module wireless energy harvesting module and a sensor module. The wireless energy harvesting module is the core-switching module, which is take the use of commercial chip P2110B produced by Powercast. Sensor module is composed of Arduino, a open source hardware. Connect the two docking module to verify the performance of energy harvesting wireless modules.

The main research work is as follows:

(1) Describes the relevant principles of wireless energy transfer, and describes the present situation of research, analyzing the feasibility of using wireless means to the sensor for energy. Design a wireless energy transfer associated processes.

(2) According to the information gathered, the decision to realize wireless energy transmission system implementation program, and use Cadence draw the schematic and PCB.

(3) Optimizing the PCB board using ADS simulation software at high-frequency, the circuit is adjusted based on the results of the simulation of it so that the RF part of the circuit at the operating frequency to achieve better performance.

(4) Arduino was introduced, as this sensor will Arduino platform used, and related programming.

(5) combines the various modules, performance test experiments.

Keywords: wireless energy transfer; P2110B; Cadence;ADS simulation; Arduino

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 无线能量传输的发展与现状 1

1.2.1 无线能量收集的优势 2

1.2.2 无线能量传输的种类 2

1.2.3 电磁波能量收集的发展 3

1.3 本文的主要内容及各章节的安排 3

第2章 无线能量收集系统原理与方案设计 5

2.1 无线能量收集基本原理 5

2.2 方案设计 5

2.3 电路匹配的相关知识及原理 6

2.3.1 阻抗匹配概述 6

2.3.2 走线阻抗控制的方法 7

2.4 射频到直流的转换原理 8

第3章 无线收集系统的实现 9

3.1 传输线阻抗的控制 9

3.2 整流放大电路的设计 10

3.2.1 整流放大芯片P2110B简介 10

3.2.2 芯片工作过程 10

3.2.3 芯片的一些其他参数及要求 11

3.3 稳压电路的设计 13

第4章 能量收集系统电路设计及PCB设计 14

4.1 P2110B的电路设计 14

4.2 稳压电路设计 15

4.3 整体电路原理图 16

4.4 能量收集系统的PCB设计 16

4.4.1 使用Cadence进行电路设计的步骤 16

4.4.2 能量收集系统PCB整体设计 18

4.4.3 对电路板射频部分进行仿真 19

第5章 传感器平台搭建与运行流程 24

5.1 Arduino开发板介绍 24

5.2 Arduino开发语言 25

5.3 Arduino开发环境 25

5.4 传感器平台的搭建 26

5.5 传感器模块程序运行步骤 27

第6章 无线能量收集系统实验测试及结果分析 29

6.1 实验测试系统搭建 29

6.2 天线性能测试 31

6.2.1 测试过程 31

6.2.2 测试结果及分析 31

6.3 阻抗设置测试 33

6.3.1 测试过程 33

6.3.2 测试结果 33

6.4 芯片集能时间测试 34

6.4.1 测试过程 34

6.4.2 测试结果 35

6.5 芯片输出电压测试 36

6.5.1 测试过程 36

6.5.2 测试结果 36

6.6 完整系统运行测试 37

6.6.1 测试过程 37

6.6.2 测试结果 38

6.7 实验结果总结 38

第7章 总结与展望 40

7.1 论文工作总结 40

7.2 未来工作展望 41

致 谢 42

参 考 文 献 43

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

随着当今科技的发展和人们需求的提升，一种新型的网络——物联网，出现在了人们的视野中。它不同于我们互联网，它是将物与物、人与物相连的网络，是在传统互联网的一个超集。物联网运用最新的信息技术，现已深入到各种行业和我们的生活中。它把嵌入式系统和传感器装备到各种物体中，大到电网、桥梁、隧道，小到我们的家电、手机等等，将我们的现实世界和虚拟的网络世界整合起来。这个系统能够对其中各种人力、物理资源和基础设施进行严密的管控，甚至于精确的预测，由此，人类可以更加精确和高效地管理生产和生活，以此更好地利用各种资源，方便的生活，促进社会发展、改善人与自然间的关系。

由此可见，物联网对于我们现代社会有着很强的重要性。传感器节点对于物联网的作用就好比眼睛对于人类的作用一样，是虚拟世界与现实世界的接口，无线物联网节点是物联网发展的基础。随着物联网的广泛应用，无线设备数量迅速增加，年内全球将有64亿物联网设备，但无线设备的能量供应问题却一直未获得有效解决^[1]。