CN105262514B - 辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法，该方法通过定义发射端和接收端信息和能量的交互过程，使得接收端和发射端通过无线通信交互实现充电连接的发起、建立和结束，相对于电磁感应和磁共振技术，辐射式充电技术具有更远的传输距离和更好的便利性，具有很大研究价值和应用前景，特别是对于无线传感网络。同时，基于辐射式无线电能传输技术的无线充电协议标准化不仅是功能上的需要，也是工业标准化的必然要求。

Description

辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输的协议设计技术领域，尤其涉及一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法。

背景技术

无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。根据传输机理不同，无线能量传输主要可以分为电磁感应式，磁场共振式，辐射式。其中辐射式又可分为无线电波方式，微波方式，激光方式和超声波方式。21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输技术等是实现能源高效利用的重要途径。

主流的无线充电标准有三大类：Qi标准、Power Matters Alliance(PMA)标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。Qi标准和Power Matters Alliance(PMA)标准基于的是电磁感应技术，A4WP标准基于的是磁共振技术。辐射式无线电能传输技术，相对于电磁感应和磁共振技术，具有更远的传输距离和更好的便利性，具有很大研究价值和应用前景。

然而，现有的主流标准技术并没有针对辐射式无线电能传输的标准控制协议。鉴于此，有必要针对辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互过程进行深入研究与设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法，使得接收端和发射端通过无线通信交互实现充电连接的发起、建立和结束。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法，包括：

初始条件下，发射端和接收端开启后为空闲状态；发射端在空闲状态下，周期性的发送Notice消息，从而转为通知状态；接收端在空闲状态下，周期性的检测自身电池电量，如果电量低于临界值，则转为就绪状态，或者根据用户的指令直接由空闲状态转为就绪状态；

接收端在就绪状态下，如果正确接收到Notice消息，则向发射端发送Report消息，之后进入识别与配置状态；发射端在通知状态下，若能正确接收到Report消息，则进入识别与配置状态；

发射端正确接收到Report消息后，根据Report信息判断是否能为接收端充电，若能为接收端充电，则回复Configuration消息以配置识别ID与充电子频段；接收端在识别与配置状态下，如果正确接收到Configuration消息，则回复Configuration Complete消息以告知发射端配置完成，然后进入连接状态；发射端若果正确接收到ConfigurationComplete消息，则进入连接状态；

发射端正确接收到Configuration Complete消息后，向接收端发送StaticParameter Set消息，用于进一步匹配能量传输参数，其包括功率等级，接收窗口大小；发射端发送完Static Parameter Set消息后，等待一端时间，之后向接收端发送Active PowerTransfer消息以开启无线能量传输，进入能量传输状态；接收端在连接状态下，如果能正确接收到Static Parameter Set消息和Active Power Transfer消息，则进入能量接收状态；

发射端在能量传输状态下，周期性向接收端发送能量，并根据接收到的DynamicParameter Report消息动态调节发射功率；接收端在能量传输接收状态下，接收来自发射端发送的能量，并周期性的向发射端发送Dynamic Parameter Report消息，该消息包含接收端的实时电压，实时电流，实时温度，输出功率，电池电量，以便于发射端动态调节发射功率和估算充电完成时间；

接收端在能量接收状态下，若检测到电量已充满，则停止接收能量，并向发射端发送Power Transfer Complete消息以告知充电结束，随后回到连接状态；发射端在能量传输状态下，正确接收到Power Transfer Complete消息后，断开能量传输，回到连接状态，然后向接收端发送Link Release消息以释放连接，随后回到空闲状态；接收端接正确接收到Link Release消息后，回到空闲状态。

该方法还包括：

发射端在通知下，如果不能正确接收到Report消息，则回到空闲状态，等待下一个Notice发送周期的到来发送Notice消息；

如果发射端正确接收到Report消息后，但是根据Report消息提供的信息，判断出不能为接收端进行充电，则发射将回复Configuration Fail消息以告知接收端配置失败以及失败原因，随后发射端回到空闲状态；

接收端在识别与配置状态下，正确接收到Configuration Fail消息后，回到空闲状态。

所述Report消息包含接收端的设备序列号，支持协议版本，硬件版本，固件版本，接收端设备类型，支持的充电频段，期望接收功率，最大接收功率以便发射端对接收端进行身份识别和配置参数。

该方法还包括：

接收端在能量接收状态下，由于负载功率变化，过电压，过电流，过温度的原因，需要重新配置参数，首先停止接收能量，然后向发射端发送Reconfig Request消息，提出重配置请求，随后进入连接状态；

发射端在能量传输状态下正确收到Reconfig Request消息后，停止传输能量，进入连接状态；

若发射端允许接收端的重配置请求，则回复接收端Reconfig Confirm消息，随后发射端回到识别与配置状态；提出重配置请求后的接收端如果能正确接收到ReconfigConfirm消息，则回到识别与配置状态，然后向发射端发送Reconfig Report消息以告知期望修改的参数，发送完成后等待发射端发送的Configuration消息；

若不允许，发射端回应Reconfig Fail消息后，随后回到空闲状态；接收端正确接收到Reconfig Fail消息后，回到空闲状态。

该方法还包括：

发射端在能量传输状态下，未能正常收到Dynamic Parameter Report消息，则回到空闲状态；接收端在能量接收状态下，未能正常接收到发射端发送的能量，接收端回到就绪状态；

当发射端回到空闲状态后，将向接收端发送定向Notice消息以便重新快速建立连接，接收端正确收到这个消息后，回应Report消息，此时的Report消息仅需含有之前分配的识别ID和设备序列号。

该方法还包括：

接收端在识别与配置状态下，如果未能接收到Configuration消息，则回到空闲状态；

接收端在连接状态下，如果不能正确接收到Static Parameter Set消息和ActivePower Transfer消息，则回到空闲状态。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过定义发射端和接收端信息和能量的交互过程，使得接收端和发射端通过无线通信交互实现充电连接的发起、建立和结束，相对于电磁感应和磁共振技术，具有更远的传输距离和更好的便利性，具有很大研究价值和应用前景，特别是对于无线传感网络。同时，基于辐射式无线电能传输技术的无线充电协议标准化不仅是功能上的需要，也是工业标准化的必然要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的辐射式无线电能传输系统中主动重配置过程的示意图；

图3为本发明实施例提供的辐射式无线电能传输系统中错误重配置过程的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法的示意图。如图1所示，该方法主要包括：

1、初始条件下，发射端和接收端开启后为空闲状态；发射端在空闲状态下，周期性的发送Notice(通知)消息，可设定周期为t_{T_Notice}，从而转为通知状态；接收端在空闲状态下，周期性的检测自身电池电量，可设定周期为t_{R_detect}，如果电量低于临界值，则转为就绪状态，或者根据用户的指令直接由空闲状态转为就绪状态。

2、接收端在就绪状态下，如果正确接收到Notice消息，则向发射端发送Report(报告)消息，之后进入识别与配置状态；发射端在通知状态下，若能正确接收到Report消息，则进入识别与配置状态。

如果不能正确接收到Report消息，则回到空闲状态，等待下一个Notice发送周期的到来发送Notice消息。

其中，所述Report消息包含接收端的设备序列号，支持协议版本，硬件版本，固件版本，接收端设备类型，支持的充电频段，期望接收功率，最大接收功率以便发射端对接收端进行身份识别和配置参数。

3、发射端正确接收到Report消息后，根据Report信息判断是否能为接收端充电，若能为接收端充电，则回复Configuration(配置)消息以配置识别ID与充电子频段；接收端在识别与配置状态下，如果正确接收到Configuration消息，则回复ConfigurationComplete(配置完成)消息以告知发射端配置完成，然后进入连接状态；发射端若果正确接收到Configuration Complete消息，则进入连接状态。

如果发射端正确接收到Report消息后，但是根据Report消息提供的信息，判断出不能为接收端进行充电，则发射将回复Configuration Fail(配置失败)消息以告知接收端配置失败以及失败原因，随后发射端回到空闲状态；接收端在识别与配置状态下，正确接收到Configuration Fail消息后，回到空闲状态。

4、发射端正确接收到Configuration Complete消息后，向接收端发送StaticParameter Set(静态参数设置)消息，用于进一步匹配能量传输参数，其包括功率等级，接收窗口大小；发射端发送完Static Parameter Set消息后，等待一端时间(t_{T_Active})，之后向接收端发送Active Power Transfer(能量传输)消息以开启无线能量传输，进入能量传输状态；接收端在连接状态下，如果能正确接收到Static Parameter Set消息和ActivePower Transfer消息，则进入能量接收状态

如果不能正确接收到Static Parameter Set消息和Active Power Transfer消息，则接收端回到空闲状态。

5、发射端在能量传输状态下，周期性向接收端发送能量，并根据接收到的DynamicParameter Report(动态参数报告)消息动态调节发射功率；接收端在能量传输接收状态下，接收来自发射端发送的能量，并周期性的向发射端发送Dynamic Parameter Report消息，该消息包含接收端的实时电压，实时电流，实时温度，输出功率，电池电量，以便于发射端动态调节发射功率和估算充电完成时间；

6、接收端在能量接收状态下，若检测到电量已充满，则停止接收能量，并向发射端发送Power Transfer Complete(能量传输完毕)消息以告知充电结束，随后回到连接状态；发射端在能量传输状态下，正确接收到Power Transfer Complete消息后，断开能量传输，回到连接状态，然后向接收端发送Link Release(连接释放)消息以释放连接，随后回到空闲状态；接收端接正确接收到Link Release消息后，回到空闲状态。

另外，在发射端和接收端交互过程中，由于识别配置失败，连接丢失，过电压，过电流，过温度等原因出现异常错误时，还会进行主动重配置与错误重配置。

如图2所示，为主动重配置的示意图。其过程如下：

接收端在能量接收状态下，由于负载功率变化，过电压，过电流，过温度的原因，需要重新配置参数，首先停止接收能量，然后向发射端发送Reconfig Request(重配置)消息，提出重配置请求，随后进入连接状态；

发射端在能量传输状态下正确收到Reconfig Request消息后，停止传输能量，进入连接状态；

若发射端允许接收端的重配置请求，则回复接收端Reconfig Confirm(允许配置)消息，随后发射端回到识别与配置状态；提出重配置请求后的接收端如果能正确接收到Reconfig Confirm消息，则回到识别与配置状态，然后向发射端发送Reconfig Report(允许报告)消息以告知期望修改的参数，发送完成后等待发射端发送的Configuration消息；之后的过程与前文的步骤3～6一致，故不再赘述。

若不允许，发射端回应Reconfig Fail(配置失败)消息后，随后回到空闲状态；接收端正确接收到Reconfig Fail消息后，回到空闲状态。

如图3所示，为错误重配置的示意图。其过程如下：

发射端在能量传输状态下，未能正常收到Dynamic Parameter Report消息，则回到空闲状态；接收端在能量接收状态下，未能正常接收到发射端发送的能量，接收端回到就绪状态；

当发射端回到空闲状态后，将向接收端发送定向Notice消息以便重新快速建立连接，接收端正确收到这个消息后，回应Report消息，此时的Report消息仅需含有之前分配的识别ID和设备序列号。之后的过程与前文的步骤3～6一致，故不再赘述。

另一方面，在上述发射端与接收端交互过程中，发射端和接收端通过数据包交互传递信息，数据包包括四个组成部分：序文(preamble)、包头(header)、消息主体(message)、校验(checksum)，所涉及的各个消息的消息主体可采用下述格式。

1、发射端消息

1)Notice消息

表1 Notice消息主体

2)Configuration消息

表2 Configuration消息主体

以Configuration消息为例：消息主体中的B₀到B₂表示Configuration信息中消息主体的三个字节，b₀到b₇表示这个字节的八个比特位。

这个表的意思就是，Configuration消息主体内容，大小可设置为3个字节，第一个字节表示的是分配的识别ID；第二个字节表示的是分配的充电子频段；第三个用作预留。

例如：B₀为0000 0011，那么分配的识别ID就是0000 0011

3)Static Parameter Set消息

表3 Static Parameter Set消息主体

4)Active Power Transfer消息

与Notice消息一样，消息主体为空的消息。

5)Reconfig Confirm消息

与Notice消息一样，消息主体为空的消息。

6)Link Release消息

与Notice消息一样，消息主体为空的消息。

7)Configuration Fail消息

表4 Configuration Fail消息主体

8)Reconfig Fail消息

与Notice消息一样，消息主体为空的消息。

2、接收端消息

1)Report消息

表5 Report消息主体

2)Configuration Complete消息

与Notice消息一样，消息主体为空的消息。

3)Dynamic Parameter Report消息

表6 Dynamic Parameter Report消息主体

4)Power Transfer Complete消息

表7 Power Transfer Complete消息主体

5)Reconfig Request消息

表8 Reconfig Request消息主体

6)Reconfig Report消息

表9 Reconfig Report消息主体

为了便于理解，下面结合一具体实施例对本发明的方案进行说明。

如图4所示的辐射式电能传输系统中，无线能量发射基站由电网通过电缆供电，移动设备A、B及笔记本电脑没有固定电源供电，需要通过捕获无线能量发射基站发射的能量进行充电。以移动设备A为例，介绍其通过无线能量发射基站进行充电过程：

初始状态下，发射基站和移动设备A在空闲状态。此时，发射基站周期性的广播Notice消息，搜寻覆盖范围内是否有充电需求的用户，发送完Notice消息后，发射基站进入通知状态。移动设备A由于电量过低或用户通过接口触发，由空闲状态进入就绪状态，等待接收发射基站的Notice消息。当正确接收到Notice消息后，移动设备A回应发射基站Report消息，Report消息中含有移动设备A的设备序列号，支持协议版本，支持的充电频段，期望接收功率，最大接收功率等信息以便发射基站对A进行身份识别和配置充电参数。发射基站在通知状态下通过Report消息判断可以为A进行充电后，向A发送Configuration消息，分配识别ID和充电子频段。A正确收到Configuration消息后，回应Configuration Complete消息告知发射基站配置识别完成。随后，发送基站发送Static Parameter Set消息进一步同步充电参数包括功率等级，接收窗口大小。等待一定时间，发射基站向A发送Active PowerTransfer消息，开启能量传输，A正确接收到Static Parameter Set消息和Active PowerTransfer消息进入能量接收状态。开启能量传输后，发射基站周期性通过电磁波辐射向A发送能量，A周期性的发送Dynamic Parameter Report消息以反馈发射基站设备A的实时电压，实时电流，实时温度，输出功率，当前电量等信息以便发射基站动态调节发射功率。当移动设备A充电已满，向发射基站发送Power Transfer Complete消息告知充电完毕。发射基站收到Power Transfer Complete消息后，停止发送能量，回到连接状态，随后向A发送LinkRelease消息释放连接。发送完Link Release消息后，发射基站回到空闲状态，移动设备A收到Link Release消息后，回到空闲状态。由此，实现了无线能量发射基站和移动设备A信息和能量的交互过程。

本发明实施例的上述方案，通过所提出得发射端和接收端信息和能量的交互方法，使得接收端和发射端通过无线通信交互实现充电连接的发起、建立和结束，相对于电磁感应和磁共振技术，具有更远的传输距离和更好的便利性，具有很大研究价值和应用前景，特别是对于无线传感网络。同时，基于辐射式无线电能传输技术的无线充电协议标准化不仅是功能上的需要，也是工业标准化的必然要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种辐射式无线电能传输系统中接收端与发射端的交互方法，其特征在于，包括：

初始条件下，发射端和接收端开启后为空闲状态；发射端在空闲状态下，周期性的发送Notice消息，从而转为通知状态；接收端在空闲状态下，周期性的检测自身电池电量，如果电量低于临界值，则转为就绪状态，或者根据用户的指令直接由空闲状态转为就绪状态；

接收端在就绪状态下，如果正确接收到Notice消息，则向发射端发送Report消息，之后进入识别与配置状态；发射端在通知状态下，若能正确接收到Report消息，则进入识别与配置状态；

发射端正确接收到Report消息后，根据Report信息判断是否能为接收端充电，若能为接收端充电，则回复Configuration消息以配置识别ID与充电子频段；接收端在识别与配置状态下，如果正确接收到Configuration消息，则回复Configuration Complete消息以告知发射端配置完成，然后进入连接状态；发射端若果正确接收到Configuration Complete消息，则进入连接状态；

发射端正确接收到Configuration Complete消息后，向接收端发送Static ParameterSet消息，用于进一步匹配能量传输参数，其包括功率等级，接收窗口大小；发射端发送完Static Parameter Set消息后，等待一端时间，之后向接收端发送Active Power Transfer消息以开启无线能量传输，进入能量传输状态；接收端在连接状态下，如果能正确接收到Static Parameter Set消息和Active Power Transfer消息，则进入能量接收状态；

发射端在能量传输状态下，周期性向接收端发送能量，并根据接收到的DynamicParameter Report消息动态调节发射功率；接收端在能量传输接收状态下，接收来自发射端发送的能量，并周期性的向发射端发送Dynamic Parameter Report消息，该消息包含接收端的实时电压，实时电流，实时温度，输出功率，电池电量，以便于发射端动态调节发射功率和估算充电完成时间；

接收端在能量接收状态下，若检测到电量已充满，则停止接收能量，并向发射端发送Power Transfer Complete消息以告知充电结束，随后回到连接状态；发射端在能量传输状态下，正确接收到Power Transfer Complete消息后，断开能量传输，回到连接状态，然后向接收端发送Link Release消息以释放连接，随后回到空闲状态；接收端接正确接收到LinkRelease消息后，回到空闲状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

发射端在通知下，如果不能正确接收到Report消息，则回到空闲状态，等待下一个Notice发送周期的到来发送Notice消息；

如果发射端正确接收到Report消息后，但是根据Report消息提供的信息，判断出不能为接收端进行充电，则发射将回复Configuration Fail消息以告知接收端配置失败以及失败原因，随后发射端回到空闲状态；

接收端在识别与配置状态下，正确接收到Configuration Fail消息后，回到空闲状态。

3.根据权利要求1获得所述的方法，其特征在于，所述Report消息包含接收端的设备序列号，支持协议版本，硬件版本，固件版本，接收端设备类型，支持的充电频段，期望接收功率，最大接收功率以便发射端对接收端进行身份识别和配置参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收端在能量接收状态下，由于负载功率变化，过电压，过电流，过温度的原因，需要重新配置参数，首先停止接收能量，然后向发射端发送Reconfig Request消息，提出重配置请求，随后进入连接状态；

发射端在能量传输状态下正确收到Reconfig Request消息后，停止传输能量，进入连接状态；

若发射端允许接收端的重配置请求，则回复接收端Reconfig Confirm消息，随后发射端回到识别与配置状态；提出重配置请求后的接收端如果能正确接收到Reconfig Confirm消息，则回到识别与配置状态，然后向发射端发送Reconfig Report消息以告知期望修改的参数，发送完成后等待发射端发送的Configuration消息；

若不允许，发射端回应Reconfig Fail消息后，随后回到空闲状态；接收端正确接收到Reconfig Fail消息后，回到空闲状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

发射端在能量传输状态下，未能正常收到Dynamic Parameter Report消息，则回到空闲状态；接收端在能量接收状态下，未能正常接收到发射端发送的能量，接收端回到就绪状态；

当发射端回到空闲状态后，将向接收端发送定向Notice消息以便重新快速建立连接，接收端正确收到这个消息后，回应Report消息，此时的Report消息仅需含有之前分配的识别ID和设备序列号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收端在识别与配置状态下，如果未能接收到Configuration消息，则回到空闲状态；

接收端在连接状态下，如果不能正确接收到Static Parameter Set消息和ActivePower Transfer消息，则回到空闲状态。