图1 单线电能传输系统
Fig.1 Single wire power transfer system
摘要 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。该文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。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。
关键词：无线传感器网络 单线电能传输 电磁安全 仿真分析
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[1-4]。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[5-7]。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[8]。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[9]。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。
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[10]。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》[11]，国外电磁场辐射标准中具有代表性的是IEEE C95.1[12]和ICNIRP导则[13-14]。
本文主要研究内容是无线传感器网络单线电能传输供电方法的电磁安全性，首先介绍了电磁辐射的生物学效应及两种为无线传感器网络供电的单线电能传输系统，然后建立了单线电能传输系统模型及人体模型，仿真系统空间电磁场分布、空间电磁场强度、人体体内电场强度和电流密度，将两个系统的数据进行对比，并进行实验验证。
电磁波的生物学效应是指生物体在吸收电磁波后所产生的与生命现象有关的响应，可以分为热效应、非热效应和累计效应三个方面[15-16]。热效应是指生物组织内的水分子在电磁环境下会产生摩擦运动，使得生物体温度升高，导致组织和器官不能正常工作。非热效应是指一旦受到外界电磁环境影响，人体本身的电磁场被打破，生物体内组织和器官也会受到一定的影响。累计效应是指生物体在受到电磁伤害后未来得及自我恢复而再一次受到电磁作用，伤害累计后形成的永久性病态。
生物体的组织不同，其对电磁场产生的响应也不同，这种组织自身具有的性质称为电磁特性，生物体的电磁特性分为导电特性和介电特性[17]。生物组织内有大量的自由电子存在，当这些自由电子处于电磁环境中时就会进行移动，此种现象就是组织的导电特性，其通常用电导率进行描述。生物组织内有大量的束缚电荷存在，在电磁场作用下，这些电荷会不断地进行移动，从而使生物组织表现出一定的电磁特性，这种特性就是生物组织的介电特性，其通常用介电常数来描述。在不同频率下，人体器官具有不同的电导率和介电常数，电导率和介电常数决定了人体器官在电磁场环境下的电磁场强度，当人体的电磁场强度超过一定限值会对人体产生伤害[18-22]。
大多数参考文献中提出的单线电能传输系统结构如图1所示，该结构由特斯拉无线电能传输系统演化而来，系统由电源、顶端导体、发射端初级线圈、发射端次级线圈、单线、接收端初级线圈、接收端次级线圈、负载组成。次级线圈一端通过单导线连接，另一端与电容球连接，初级线圈分别与电源和负载连接[23-24]。
图1所示系统中的次级线圈体积往往很大，工作时顶端导体也会产生巨大的电压，因此该结构不适合为无线传感器网络供电。本文采用的单线电能传输系统在图1系统基础上进行了改进，系统结构如图2所示。发射线圈和接收线圈采用平面螺旋线圈，平面螺旋线圈具有更小的体积，更适合无线传感器网络供电场景，同时，图2b中的系统在图2a系统的基础上去掉了电容球。新型电能传输系统的基本特性及其对无线传感网供电的可行性，文献[25]已详细论述，本文不再赘述。
图1 单线电能传输系统
Fig.1 Single wire power transfer system
（a）有球系统
（b）无球系统
图2 两种单线电能传输系统结构
Fig.2 Two structure diagrams of single wire power transfer system
利用有限元分析软件建立的两种单线电能传输系统仿真模型如图3所示。图3a中，电容球的存在会产生分布电容，导致系统谐振频率发生变化，但在相关电磁辐射限值标准的规定中，不同频率下电磁场强度和其他物理量限值不同，即不同频率下的评判标准不同，因此无法在不同频率下对比两个系统的电磁安全性。为了对比研究两系统的电磁安全性，本文调节线圈匝数使得两个系统的谐振频率相同。
图3 两种单线电能传输系统模型
Fig.3 Two simulation models of single wire transfer system
两系统中线圈相同的参数为：线径1.14mm、匝间距10mm、内径50mm、传输距离5m、传输功率为100W。带电容球的单线电能传输系统次级线圈匝数为15，电容球距离次级线圈的高度为1.5m，不带电容球的单线电能传输系统匝数为16。通过对整个系统的扫频，得到两系统效率最高时的频率为6.26MHz，即两系统的工作频率为6.26MHz。
本文利用Mimics对人体及主要器官进行三维重建。将获得的人体CT图像转化为DICOM格式进行存储并导入到Mimics软件中，将CT图像冠状面和矢状面设置成相应视图，设置完成后，Mimics软件会自动生成3个不同的视图以及三维模型。
进行组织结构的构建时，可以利用不同的阈值对不同密度的器官组织进行区分，以完成图像分割。然后，对人体模型进行图像处理、区域增长、空间填补，使器官之间相互分离，器官和模型表面更加光滑。将处理后的人体三维模型进行有限元前处理，但是利用Mimics建模只能得到面网格模型，因此进行有限元仿真分析仍然需要在COMSOL中进行体网格划分等后续工作。
本文采用的人体模型为1.75m双手上举站立的男性，人体内部器官包括大脑、心脏、肝脏、胃部、肺部、肾脏等，在此基础上建立的人体模型如图4所示。
图4 人体与系统的相对位置
Fig.4 The position of the body relative to the system
分别对两系统的电磁场分布情况进行仿真来验证电容球对单线电能传输系统电磁场分布的影响。设置场线的起点个数相同，得到仿真结果如图5所示，可以通过场线分布的疏密来分析电磁场分布。通过图5可知，电容球的存在使电场和磁场的分布产生差异，这就使得两系统的电磁安全性产生差异。通过对比图5a和图5b可知，电容球附近的电场线和磁场线相对密集，即电容球附近的电场强度和磁
图5 两种单线电能传输系统的电磁场分布
Fig.5 Electromagnetic field distributions of two single wire power transfer systems
场强度较大。这使电容球附近的电磁安全性更差，也表明有球系统电磁安全性更低。
分别对两个单线电能传输系统的电磁场强度进行仿真，得到的电场强度和磁场强度分布如图6所示。可以看出，有球系统中电容球和其连接线处的电场强度明显更高。
图6 电场强度和磁场强度分布
Fig.6 Distributions of electric field strength and magnetic field strength
为对比两系统电场由于结构差异造成的电磁辐射差异，对各标准限值下的安全距离进行比较。本文两系统所在频率范围下采用的相关标准中规定的适用于公众曝露的限值分别为：GB 8702-2014《电磁环境控制限值》规定在3～30MHz下电场强度为67/f 1/2V/m、磁场强度为0.17/f 1/2A/m；ICNIRP 1998导则规定在1～10MHz下的电场强度为87/f 1/2V/m、磁场强度为0.73/f A/m；ICNIRP 2010导则规定在3kHz～10MHz下的电场强度为83V/m、磁场强度为21A/m；IEEE C95.1规定在3～30MHz下的电场强度为823.8/f V/m、磁场强度为16.3/f A/m。以上频率f以MHz为单位，具体数值数据见表1，由于在各标准中GB 8702-2014《电磁环境控制限值》所规定的公众暴露限值最为严格，因此本文采用电场强度为26.78V/m、磁场强度为0.068A/m作为评判 标准。
用本文所使用的电场强度和磁场强度限值对两系统进行限定，得到电场强度为26.78V/m的等值面、磁场强度为0.068A/m的等值面如图7所示。可知，有球系统超过限值的区域基本上覆盖了无球系统超过限值的区域。
表1 各标准中的电场强度和磁场强度限值
Tab.1 The limits of electric field strength and magnetic field strength in each standard
导则名称空间电场强度/(V/m)空间磁场强度/(A/m) GB 8701-201426.780.068 ICNIRP199834.770.117 ICNIRP20108321 IEEE C95.1131.592.60 本文采用26.780.068
图7 电场强度和磁场强度限值限定距离空间
Fig.7 Safe distance defined by the strength of electric field and magnetic field
因系统铺设方式为线圈平铺于地面，所以选择测量俯视图情况下符合标准的安全距离更为直观。测量以下四个距离：发射线圈沿单线方向的安全距离A、发射线圈沿垂直于单线方向的安全距离B、接收线圈沿垂直于单线方向的安全距离C、接收线圈沿单线方向的安全距离D，如图7b所示。距离越小说明电磁辐射不符合标准的范围越小，距离越大说明范围越大。
有球系统的电场限值限定距离A、B、C、D分别为2.46m、2.34m、2.09m、2.25m，磁场限值限定距离A、B、C、D分别为1.08m、0.89m、1.12m、0.96m。无球系统的电场限值限定距离A、B、C、D分别为2.13m、1.98m、1.82m、1.93m，磁场限值限定距离A、B、C、D分别为0.99m、0.83m、1.15m、0.96m。在单线中间部分，无球系统电场限值限定距离要略高于有球系统电场限值限定距离。综合对比两系统的4个安全距离及整体覆盖范围可知，无球系统高于标准限值的区域更小，即无球系统的电磁安全性优于有球系统的电磁安全性。
将人体模型分别导入两种单线电能传输系统中，以有球系统为例，其相对位置如图4所示。线圈铺设于地面，人体呈站立姿势，位于发射线圈前30cm处，背对于发射线圈。
在6.26MHz的情况下人体主要器官的电导率、相对介电常数、相对磁导率和密度见表2，将电导率、相对介电常数、相对磁导率和密度添加到各器官的材料属性中。
表2 人体主要器官电磁参数
Tab.2 The electromagnetic parameters of the main organs in human body
器官电导率/(S/m)相对介电常数相对磁导率密度/(kg/m3) 大脑0.191 72312.9711 030 心脏0.465 35413.9611 059 肝脏0.288 97315.6911 151 胃部0.751 27389.5511 126 肺部0.417 65252.081563 肾脏0.457 87533.2511 147 全身0.312 6133.5311 033.3
对各个器官的电场强度最大值进行仿真计算，得到的结果如图8所示。可知，无球系统中各个器官电场强度最大值小于有球系统各个器官电场强度最大值。从两单线电能传输系统的总体情况可以看出，肝脏和肾脏的电场强度较大，而大脑和心脏的电场强度较小。
图8 人体器官的体电场强度最大值
Fig.8 The maximum electric field intensities of human organs
器官表面的电场强度分布如图9所示。可知，肾脏表面电场强度最大，大脑表面电场强度最小。根据图中各器官的颜色变化规律，本文推测越靠近线圈的器官受到的辐射越大，器官表面的电场强度也就越大。通过图8和图9对两系统中人体内器官电场强度的综合对比，可知，无球系统中器官电场强度最大值更低，即无电容球的单线电能传输系统的电磁安全性优于有球的单线电能传输系统。
图9 器官表面的电场强度分布
Fig.9 Electric field intensity distribution on organ surface
对处于两系统中的人体重要器官的电流密度进行仿真计算，得到的器官电流密度最大值数据见表3。
表3 器官电流密度最大值
Tab.3 Maximum current density of organs
器官有球系统电流密度/(A/m2)无球系统电流密度/(A/m2) 大脑1.577 90.685 8 心脏3.603 61.971 2 肝脏3.631 92.031 1 胃部7.8714.030 3 左肺3.969 72.332 7 右肺3.998 52.243 1 左肾5.580 93.138 1 右肾5.750 63.130 2
通过表3可知，无球系统中的人体器官电流密度最大值小于有球系统中的人体器官电流密度最大值。其中，电流密度最大的器官是胃部，电流密度最小的器官是脑部。
本文对空间电磁场限值距离进行实验验证，实际建立两种单线电能传输系统如图10所示。利用电磁场测量仪对两系统的空间电磁场强度限值的安全距离进行实际测量，得到的数据见表4、表5。因实验室环境复杂和测量仪器的固有误差，实验数据与仿真数据存在一定差异。
图10 实验系统
Fig.10 Experimental system
表4 电场限值距离
Tab.4 The distances defined by the electric field
距离有球系统电场限值限定距离/m无球系统电场限值限定距离/m 仿真实验仿真实验 A2.462.232.131.97 B2.342.011.981.92 C2.092.031.821.85 D2.252.111.931.86
表5 磁场限值距离
Tab.5 The distances defined by the magnetic field
距离有球系统磁场限值限定距离/m无球系统磁场限值限定距离/m 仿真实验仿真实验 A1.080.910.990.83 B0.890.800.830.80 C1.121.021.150.93 D0.960.810.960.85
通过表4数据可知，无球系统的电场限值距离整体低于有球系统，符合仿真情况。但是从表5数据可知，无球系统的磁场限值距离与有球系统差距不大。将仿真结果与实验结果相对比，实验数据与仿真数据基本吻合。
本文针对无线传感器网络可用的两种单线电能传输系统电磁安全性进行对比分析，结论如下：
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。
综上所述，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。
参考文献
[1] Luigi A, Antonio I, Giacomo M. Wireless sensor networks: a survey[J]. Computer Networks, 2010, 54: 2787-2805.
[2] Rashid M M, Gondal I, Kamruzzaman J. Mining associated patterns from wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Computers, 2015, 64(7): 1998- 2011.
[3] Han Guangjie, Jiang Jinfang, Zhang Chenyu, et al. A survey on mobile anchor node assisted localization in wireless sensor networks[J]. Communications Surveys & Tutorials, 2016, 18(3): 2220-2243.
[4] Akyildiz I F, Su Weilian, Sankarasubramaniam Y, et al. A survey on sensor networks[J]. IEEE Com- munications Magazine, 2002, 40(8): 102-114.
[5] Sambo D W, Forster A, Yenke B O, et al. Wireless underground sensor networks path loss model for precision agriculture (WUSN-PLM)[J]. IEEE Sensors Journal, 2020, 20(10): 5298-5313.
[6] Giri P, Ng K, Phillips W. Wireless sensor network system for landslide monitoring and warning[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2019, 68(4): 1210-1220.
[7] Prapti G, Kam N, William P. Wireless sensor network system for landslide monitoring and warning[J]. IEEE Transactions on Instrumentation Measurement, 2019, 68(4): 1210-1220.
[8] Tong Bin, Wang Guiling, Zhang Wensheng, et al. Node reclamation and replacement for long-lived sensor networks[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2011, 22(9): 1550-1563.
[9] Tesla Nikola. Apparatus for transmitting electrical energy: US1907371817A[P]. 1914-12-01.
[10] 李晨曦. 基于大功率无线电能传输的电磁环境分析[D]. 天津: 河北工业大学, 2016.
[11] GB 8702-2014 电磁环境控制限值[S]. 浙江省环境保护部辐射环境监测技术中心, 2014.
[12] IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3kHz to 300GHz[S]. IEEE Std C95.1, 2005.
[13] ICNIRP. Comment on the ICNIRP guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300GHz)[J]. Health Physics, 1998, 75(4): 494-522.
[14] Protection N I R. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic field (1Hz to 100kHz)[J]. Health Physics, 2010, 99(6): 818-836.
[15] 严登俊, 李伟, 王贵琴, 等. 生物电磁学研究进展[J]. 电气电子教学学报, 2007, 29(3): 11-16.
Yan Dengjun, Li Wei, Wang Guiqin, et al. Progress in bio-electromagnetism research[J]. Journal of Elec- trical & Electronic Education, 2007, 29(3): 11-16.
[16] 李滚, 庞小峰. 电磁场曝露对生物组织电磁特性的影响[J]. 生物化学与生物物理进展, 2011, 38(7): 604-610.
Li Gun, Pang Xiaofeng. Effects of electromagnetic field exposure on electromagnetic properties of biological tissues[J]. Progress in Biochemistry and Biophysics, 2011, 38(7): 604-610.
[17] 周洪, 蒋燕, 胡文山, 等. 磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究及综述[J]. 电工技术学报, 2016, 31(2): 1-12.
Zhou Hong, Jiang Yan, Hu Wenshan, et al. Review and research on health and safety issues for magnetically- coupled resonant wireless power transfer systems[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(2): 1-12.
[18] 赵军, 李乃良, 王磊, 等. 电动汽车无线充电系统对人体及体内植入器件电磁安全研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(增刊1): 26-33.
Zhao Jun, Li Nailiang, Wang Lei, et al. An electromagnetic safety study about human body and body implanted device in electric vehicle wireless charging system[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2018, 33(S1): 26-33.
[19] 吴理豪, 张波. 电动汽车静态无线充电技术研究综述(上篇)[J]. 电工技术学报, 2020, 35(6): 1153- 1165.
Wu Lihao, Zhang Bo. Overview of static wireless charging technology for electric vehicles: part Ⅰ[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1153-1165.
[20] 高妍, 张献, 杨庆新, 等. 电动汽车无线充电环境的生物电磁安全评估[J]. 电工技术学报, 2019, 34(17): 3581-3589.
Gao Yan, Zhang Xian, Yang Qingxin, et al. Bio- electromagnetic safety assessment of wireless charging environment for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(17): 3581- 3589.
[21] 薛明, 杨庆新, 章鹏程, 等. 无线电能传输技术应用研究现状与关键问题[J]. 电工技术学报, 2021, 36(8): 1547-1568.
Xue Ming, Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, et al. Application status and key issues of wireless power transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1547-1568.
[22] 沈栋, 杜贵平, 丘东元, 等. 无线电能传输系统电磁兼容研究现况及发展趋势[J]. 电工技术学报, 2020, 35(13): 2855-2869.
Shen Dong, Du Guiping, Qiu Dongyuan, et al. Research status and development trend of electro- magnetic compatibility of wireless power trans- mission system[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(13): 2855-2869.
[23] Shu Xujian, Zhang Bo. Single-wire electric-field coupling power transmission using nonlinear parity- time-symmetric model with coupled-mode theory[J]. Energies, 2018, 11(3): 532.
[24] Chen Xiyou, Chen Jianhui, Li Guanlin, et al. Electric- field-coupled single-wire power transmission-analytical model and experimental demonstration[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics (Ee), Novi Sad, Serbia, 2017, DOI: 10.1109/PEE.2017. 8171661.
[25] Li Yang, Wang Rui, Zhai Yujie, et al. A novel sigle- wire power transfer method for wireless sensor net- works[J]. Energies, 2020, 13(19): 5182.
Electromagnetic Safety Analysis on Single Wire Power Transfer System Based on Wireless Sensor Networks
Abstract At present, the most mature power supply method for wireless sensor networks is battery, but this method requires frequent battery replacement, resulting in poor power supply reliability. Single wire power transfer can take into account the transmission distance and transmission efficiency, and has the characteristics of flexible distribution and non-directivity. Therefore, it can be utilized to solve the problem of reliability of battery in wireless sensor networks. Aiming at the electromagnetic safety problem of single wire power transfer system, two single wire power transfer system models with and without capacitor balls, and human body models were first established. Then, the electromagnetic safety of the two system models was simulated and analyzed. The spatial electromagnetic field distribution, the spatial electromagnetic field strength, the electric field strength in vivo and the current density in vivo of the two systems are compared. Finally, the experimental system was used to verify the simulation. The results show that, compared with the system with the capacitor balls, the value of each physical quantity of the system without capacitor balls is smaller, which is more in line with the safety standards of limiting time-varying electric and magnetic fields.
keywords：Wireless sensor networks, single wire power transfer, electromagnetic safety, simulation analysis
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90235
中图分类号：TM15
李 阳 男，1979年生，教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输理论与应用。E-mail: liyang@tiangong.edu.cn（通信作者）
李 垚 女，1996年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。E-mail: ly1931065389@163.com
收稿日期 2020-07-04
改稿日期 2020-10-28
国家自然科学基金（51877151, 51577133）和天津市高等学校创新团队培养计划（TD13-5040）资助项目。
（编辑 崔文静）