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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)具有感知、計(jì)算、存儲(chǔ)和無線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)組成的大范圍、長(zhǎng)期性對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全面感知和精確控制的特殊網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具有低功耗、低成本、分布式、自組織等特點(diǎn)，在國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)會(huì)導(dǎo)致電能供給不足，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)故障甚至網(wǎng)絡(luò)中斷。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)線連接電源與用電設(shè)備。單線電能傳輸系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可分為有電容球系統(tǒng)和無電容球系統(tǒng)兩種，同時(shí)線圈結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)供電場(chǎng)景，因此采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)。無論何種結(jié)構(gòu)，單線電能傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生高頻時(shí)變電磁場(chǎng)。因此，需要對(duì)這種高頻時(shí)變電磁場(chǎng)的分布特性及其對(duì)人體產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究。

圖1 兩種單線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性研究一方面可以幫助理解單線電能傳輸系統(tǒng)的工作過程及傳輸機(jī)理；另一方面為減小單線電能傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射提供了依據(jù)。研究單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性需要考慮電磁環(huán)境下的生物效應(yīng)，少量的電磁輻射可造成皮膚發(fā)熱、神經(jīng)疼痛，大量電磁輻射可導(dǎo)致神經(jīng)紊亂、心臟衰竭、灼傷甚至死亡。目前，國(guó)內(nèi)采用的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)是GB 8702 2014《電磁環(huán)境控制限值》，國(guó)外電磁場(chǎng)輻射標(biāo)準(zhǔn)中具有代表性的是IEEE C95.1和ICNIRP導(dǎo)則。

天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員針對(duì)單線電能傳輸系統(tǒng)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(tǒng)模型及人體模型；然后對(duì)兩種系統(tǒng)模型的電磁安全性進(jìn)行仿真分析，主要對(duì)比研究了二者的空間電磁場(chǎng)分布、空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度、體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和體內(nèi)電流密度；最后利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

研究人員對(duì)比分析后指出：

1）從空間電場(chǎng)角度分析，有球系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的電場(chǎng)限值限制距離要高于無球系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的電場(chǎng)限值限制距離，雖然單線中間部分無球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限制距離略高于有球系統(tǒng)電場(chǎng)限值限制距離，但無球系統(tǒng)電場(chǎng)限值整體覆蓋范圍比有球系統(tǒng)電場(chǎng)限值整體覆蓋范圍小，表明無球系統(tǒng)更安全。

2）從空間磁場(chǎng)角度分析，有球系統(tǒng)磁場(chǎng)限值覆蓋范圍大于無球系統(tǒng)磁場(chǎng)限值限制覆蓋范圍，表明無球系統(tǒng)更安全。

3）從器官電場(chǎng)強(qiáng)度角度分析，有球系統(tǒng)各器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值約為無球系統(tǒng)各器官電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的1.7～2.3倍，表明無球系統(tǒng)更安全。

4）從器官電流密度角度分析，有球系統(tǒng)各器官電流密度最大值約為無球系統(tǒng)各器官電流密度最大值的1.7～2.3倍，表明無球系統(tǒng)更安全。

研究人員最后認(rèn)為，相比于有球單線電能傳輸系統(tǒng)，無球單線電能傳輸系統(tǒng)更安全，更適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

本文編自2022年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性分析”，作者為李陽(yáng)、李垚 等。