В ИТМО разработали первую в России технологию беспроводного питания устройств IoT и умного дома

Многие устройства интернета вещей (IoT) и умного дома, например сигнализации, подключаются проводом к электросети, а датчики движения, температуры, влажности и других параметров получают энергию из аккумуляторных батарей, которые нужно регулярно менять. Решить проблему проводного подключения и регулярной замены батареек может система беспроводного питания. Многим знакома беспроводная зарядка для смартфона, которая представляет собой специальную подставку с передающей катушкой внутри. Она создает переменное магнитное поле, а приемная катушка в смартфоне преобразует поле обратно в ток. Но чтобы такая беспроводная зарядка работала, передающая и приемная катушки должны быть в непосредственной близости. Таким образом, технология, широко используемая для беспроводного питания смартфона, не применима для энергоснабжения датчиков умного дома.

Ученые Нового физтеха ИТМО первыми в России продемонстрировали технологию беспроводной передачи энергии, которая может обеспечить беспроводное питание устройств IoT и умного дома на расстоянии до нескольких метров. Аналогичные технологии на мировом рынке есть всего у нескольких компаний, а на российском рынке подобных разработок  не было представлено ранее.

«Перспективным и быстроразвивающимся направлением, к которому относится и наша разработка, считается беспроводная передача энергии на дальние расстояния. Ключевое отличие этой технологии заключается в расстоянии между приемником и передатчиком, которое может составлять от нескольких до десятков и сотен метров в зависимости от конкретного применения. Энергия в этой системе передается с помощью распространяющихся электромагнитных волн», — рассказала ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Полина Капитанова.

Устройство для беспроводного питания маломощных устройств в дальней зоне состоит из двух небольших блоков, в которых размещены передатчик и приемник. Генератор в передатчике создает радиочастотный сигнал, а его мощность увеличивает усилитель. Фильтр исключает отражение электромагнитных волн на рабочей частоте от передающей антенны обратно в усилитель и препятствует прохождению волн вне диапазона рабочих частот. Передающая антенна излучает волны, которые распространяются в воздухе в заданном направлении, достигают антенны приемника и преобразуются в переменный ток. Выпрямитель приемника превращает переменный ток в постоянный. Наконец, система управления питанием накапливает энергию, преобразует параметры тока и напряжения в соответствие с типом подключаемого устройства и каждые несколько секунд отправляет ему энергию.

В разработке устройства для беспроводного питания приняли участие сотрудники физического факультета ИТМО: Андрей Кузьмичев, Полина Терентьева, Александр Золотарев, Павел Смирнов, Сутану Чаттерджи, Евгений Корешин и Полина Капитанова.

«Передатчик излучает энергию мощностью до 1,5 ватт. Это безопасное значение для человека и окружающей среды согласно нормам СанПиН и международным стандартам, разработанным крупнейшим в мире объединением инженеров электротехники IEEE. Энергия, передаваемая электромагнитными волнами, распределяется по большой рабочей области, частично рассеиваясь в воздухе, в результате чего до приемника доходит несколько милливатт энергии. Этого достаточно для питания нескольких маломощных устройств (или датчиков) в рабочей области одного передатчика, равной 0,8х1,2 метров», — резюмировал лаборант физического факультета ИТМО Андрей Кузьмичев.

Технология беспроводного питания маломощных устройств в дальней зоне может широко использоваться для систем умного дома. Передатчик электромагнитной энергии, устанавливаемый в потолке, постоянно обеспечивает энергией датчики умного дома, расположенные на стенах. Также разработку ученых ИТМО легко масштабировать. Достаточно поместить неограниченное количество передатчиков вдоль стены или по всей площади помещения.

«Масштабируемость технологии беспроводного питания особо важна в промышленных применениях. Например, современные складские помещения обладают высокой степенью автоматизации, для которой нужно отслеживать множество параметров — от расположения грузов до температуры и влажности. Конфигурация таких помещений динамично меняется, поэтому проводить питание к каждому датчику сложно, а менять в них аккумуляторные батареи зачастую невозможно. Наша технология предполагает модульность — можно создать зоны, внутри которых большое количество маломощных датчиков может получать питание беспроводным методом», — подчеркнул младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Евгений Корешин.

Ученые ИТМО планируют адаптировать технологию и предложить новые технические решения для промышленных применений. Например, рабочая область, расстояние между приемником и передатчиком, а также излучаемая мощность могут быть оптимизированы, исходя из технических требований.