AI调光束，LED实现室内5米无线供电

日本研究人员开发出一套室内LED无线供电系统，借助自适应光学与AI引导光束控制技术，可昼夜为最远5米外的物联网设备供电。这套光无线能量传输（OWPT）系统能够维持高度汇聚的LED光束，实现远距离能量传输；即便遇到会干扰光学跟踪、降低供电能力的光照变化，依然可以将光线精准投向多个光伏接收端。

东京科学大学首席研究员Tomoyuki Miyamoto教授指出，相比发展更为成熟的激光方案，LED用于室内无线供电安全性更高。他接受采访时表示：“LED的辐射亮度和功率密度更低，更容易设计出符合光学安全规范的系统。同时LED成本相对低廉、使用寿命长，还可以集成到类似照明灯具的模组当中。”

Miyamoto还相信，该光无线能量传输系统将在建筑内安全、可持续的物联网基础设施中发挥重要作用：“这是一套稳定且通用性强的无线供电解决方案。它最优先的落地场景是工厂、农场、智能楼宇的室内传感器网络，这类场景所需的供电功率不高。”

突破射频技术的局限

射频无线供电已经应用于各类分布式物联网场景，包括楼宇、仓库的低功耗传感器系统，减少设备对电池和有线接线的依赖。但这项技术在传输效率、传输距离、电磁干扰方面仍存在短板。例如，自由空间传输损耗会随着距离增加，降低接收端获得的功率；而外泄的电磁干扰信号还会扰乱设备通信。

近年来，基于激光的光无线能量传输技术实现了更远距离的无线供电，已有系统可以做到数十米传输距离。激光将能量汇聚为窄光束，相比射频方案能够实现更高功率密度，同时规避射频干扰问题。不过安全问题仍是其室内落地的主要阻碍，这也让基于LED的光无线能量传输技术受到关注。

Miyamoto及其团队早在2019年就推出过第一代LED方案，依靠准直、聚焦光学器件，实现1米距离的有效光能量传输。但Miyamoto表示，传输距离拉长后，LED光束会发生发散，造成严重功率衰减，接收端光功率密度下降；同时旧系统在光照多变的环境下很难稳定工作。这套全新搭载AI的自适应光学系统解决了上述痛点。

东京科学大学这套LED光无线供电系统，无论明暗环境均可输出能量，能够瞄准多个不同距离的目标，兼具低成本与高可靠性。

为了解决功率衰减问题，把传输距离拓展至1米以上，研究团队采用自适应双层透镜结构，包含一块焦距可调的液体透镜与一块固定成像透镜。这套经过优化的光束整形光学器件，借助光线追迹仿真完成设计，兼顾LED光束收集、实际光斑尺寸、传输距离等关键参数。

Miyamoto介绍：“通过动态调节液体透镜焦距，抑制LED光束发散。我们已经实现最远5米的有效功率传输。在3米位置，接收端获得的光功率约为旧版固定光学系统的8倍。” 他同时提到，仿真结果显示LED光束最远可维持聚焦至10米，但该效果尚未经过实验验证。

这套LED无线供电系统依靠自适应光学和AI光束控制，为物联网设备供电。

系统依靠电动反射镜，将高度汇聚的LED光束导向光伏接收端；反射镜会根据RGB‑IR深度相机采集的数据完成角度调整。相机会识别接收器件，结合器件尺寸、位置确定光束投射点位。设备内置AI采用基于单阶段目标检测算法的卷积神经网络，进一步提升识别精度。

为保障黑暗环境正常工作，研究人员在光伏接收端边缘粘贴回归反射膜，这种材料常见于交通标识、安全防护服，能够反射深度相机红外传感器发出的光线，勾勒出清晰的接收器件轮廓。Miyamoto称：“反射回来的图像对比度很高，即便室内关灯，系统依旧可以定位光伏接收端。”

5米距离实验验证

实验测试取得良好结果。Miyamoto团队在实验室布置5个尺寸各不相同的光伏接收端，彼此间距2‑4米，系统依次为各个接收端供电。这套LED光无线能量传输系统无论明亮还是黑暗环境，都可以定位各个接收端、平滑切换供电对象，实现最远5米的有效能量传输。

Miyamoto表示：“光照环境下，中大型接收端的识别距离可达5米；无光照环境中，贴有回归反射膜的接收端可以在约4米距离实现可靠识别。”

但他同时说明：“这套LED系统主要面向米级室内应用。如果需要数十米传输距离或是大功率供电，激光方案会更加合适。”

光无线能量传输系统内置AI（基于单阶段多框检测算法的卷积神经网络）识别5个光接收模块。

系统仍有进一步优化空间。Miyamoto透露，整套光学系统当前整体效率略高于56%，研究团队计划将效率提升至80%以上。可行优化方向包括选用聚光能力更强的LED，或是在LED上加装微透镜，抑制光线发散，让更多光线进入光束整形光学器件。团队还希望厘清液体透镜温度和焦距之间的关联，加入温度补偿机制，避免焦距漂移，保障接收端的跟踪精度。

Miyamoto说：“除透镜系统效率之外，我们下一步还会提升识别算法的鲁棒性，完成光源与功率电子器件的集成，开展长期可靠性测试。如果能找到产业合作伙伴，推进产品集成与认证，我们就能较快搭建出试验样机。”