1．目的及意义

1.1 研究目的及意义

智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念，通过软硬件结合的方式，对传统设备进行改造，进而让其拥有智能化的功能。智能硬件的关键在于提供一个解决方案，帮助人们把某样事物变得比以往简单方便，如可穿戴设备，智能家居等概念，而分布式智能硬件可以使智能硬件的功能更加完善。

尽管分布式智能硬件具有广泛的应用前景，但是能源问题限制了其应用和发展。一般分布式智能硬件都需要一次性电池作为能源，因为其中会涉及到多个传感器，经常更换这些传感器的节点电池有些时候是难以实现的，因此远距离无线能量传输就变得很有必要。无线能量传输技术是一种通过真空或空气介质传播电磁波以实现电能传输的技术。目前，对于长距离的能量传输而言，激光和微波被认为是最有应用前景的两种传输载体。

由于激光具有单色型好、方向性好、能量集中的优点，即使在较小发射功率的情况下，激光无线能量传输系统也能实现远距离的电能传输，因此光电传输对于智能硬件分布式架构具有重要意义。本课题拟选择光电能量传输的激光供能方式，完成一种应用于分布式智能硬件的激光光电能量传输设备的实现。该设备主要包括：电源、激光器、光伏阵列、充电电池等，将由电源供能的激光器所发出的光能量，通过光伏阵列转化为电能，存储到充电电池中，达到利用激光供能的目的。

1.2 国内外研究现状

基于激光在无线能量传输中具备的优势，欧美等国家都已对激光无线能量传输进行了研究。其中代表性的工作有：在2007年的光能定向传输竞赛中，为了提高太空电梯的爬升速率，获得冠军的加拿大萨斯喀彻温（Saskatchewan）大学队首次选择近红外激光器（之前使用的光源为聚光灯和太阳光）作为光能定向传输系统的光源，充分验证了运用激光实现无线输能的优越性。2007年，欧洲宇航防务集团（European AeronauticDefense and Space Company，EADS）的工程师也采用了激光无线能量传输技术为250m 以外的微型船———“漫步者”提供电能。2012年，美国洛克希德-马丁公司的科学家成功测试了一种全新的激光充电系统。这项技术有望让无人侦察机永久留在空中。借助于无线方式进行充电，洛马公司的科学家让一款名为“阔步者无人空中系统”的无人机飞行时间超过48个小时，续航能力较以往提高2400%。据俄《独立报》2016年10月10日报道，在不久前结束的一项试验中，俄“能源”火箭航天集团公司(简称“能源”集团)的专家，在莫斯科附近“科罗廖夫”卫星城某建筑物的6层，向相距1.5公里的另一幢建筑楼顶发射激光。该楼顶的一个光电接收-转换装置准确捕捉到了这束激光，并将其转换成电能，进而通过一部手机的充电接口为其成功充电。

而国内的杨鹏研究了单晶硅电池在激光辐照下的特性，最高效率达27.7%，国内的乔良对于激光无线能量传输效率的实验研究结果表明，单结GaAs光电池对单色激光的光电转换效率远高于传统的单晶硅电池，最高转化效率可达 61.2%。基于以上认识，拟采用激光供能的方式，对分布式智能硬件的能源进行补充，这对减少一次性电池的使用以及分布式智能硬件的发展具有重要意义。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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本文以激光无线能量传输为背景，利用激光器和光电池完成电-光-电能量转换，设计并制作一套应用于分布式智能硬件的激光光电能量传输设备，达到可以给短时用电电路供能的目的。发送端主要由STM8单片机模块，3V继电器模块，904nm红外接收模块以及808nm半导体激光器模块组成；接收端主要由GaAs光电池，NCP1422升压模块，5.5V超级电容，STM8单片机模块，燃气灶点火电路以及904nm红外发射模块组成。具体需要设计的硬件电路为：发送端的单片机A最小系统，继电器驱动模块，红外接收模块；接收端的NCP1422升压模块，单片机B最小系统，以及红外发射模块。首先对激光器和光电池部分进行测试，再对升压电路进行设计和调试，完成对超级电容的充电后，再对超级电容电量检测部分进行编程和测试，接着进行红外对射的实验，最后对整个逻辑进行整合。整个系统中，最核心的部分为激光器和光电池的能量转换部分，因此需要对如何提高光电池的输出功率及效率进行测试和分析，例如改变激光器的焦距、两者之间的距离等，以得到较高的输出效果。

工作流程为：一开始，继电器处于闭合状态，激光器正常工作，光电池接收到激光之后会产生电压，经过升压模块给超级电容充电，单片机B通过内部AD检测超级电容两端电压，当充满电后，随即通过红外发射模块发射红外信号，当红外接收管接收到红外信号后，单片机A随即控制继电器断开激光器电源，结束充电过程。由于接收端单片机和点火电路工作都会消耗超级电容的电量，当超级电容电量低于一定值时，单片机B经过同样的路径，给单片机A发送信号，单片机A再控制继电器打开激光器电源，从而继续为超级电容充电。3. 参考文献

[1] 杨鹏.激光无线电力传输效率的研究[D].南京航空航天大学,2012.

[2] 乔良,杨雁南.激光无线能量传输效率的实验研究[J].激光技术,2014,(5):590-594.DOI:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.003.

[3] 崔晓阳,洪延姬,金星等.激光辐照下光电电池的极限能量转化效率研究[J].激光与红外,2016,46(4):406-411.DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2016.04.005.