適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變能收集系統(tǒng)研究

顧雪晨

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適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變能收集系統(tǒng)研究

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室，上海 200011）

為了使嵌入式無線傳感器不再依賴電池供電，開發(fā)一個新型的利用應(yīng)變能傳感器系統(tǒng)。首先用單向排列的壓電纖維與一塊復(fù)合材料樣品疊壓。再將一個箔式應(yīng)變計與壓電纖維粘和并校準(zhǔn)其分流值。該樣品用一個電動裝置驅(qū)動，頻率分別為60 Hz、120 Hz和180 Hz，其在3處承受周期性彎曲負(fù)載（75到300 με峰值）。驗證應(yīng)變能收集系統(tǒng)的可行性。

應(yīng)變 能量 壓電 傳感器 射頻 微機電系統(tǒng)

0 引言

這項工作旨在開發(fā)一個新型的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需電池即可無線發(fā)送數(shù)據(jù)。取而代之的是，它可以依靠從其周圍環(huán)境收集振動或應(yīng)變能來獲得電力以維持工作。這將會使對設(shè)備和建筑物等的監(jiān)測工作不再受限于電池的壽命。智能建筑和設(shè)備等將能持續(xù)自動發(fā)送數(shù)據(jù)[1]。

為了實現(xiàn)利用應(yīng)變能的傳感器方案，系統(tǒng)所有的部件（傳感器、調(diào)節(jié)器、處理器、數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)傳輸器）消耗的功率必須和應(yīng)變能的可用功率相匹配。因此，盡量減少系統(tǒng)功率消耗和提高應(yīng)變能收集效率是同等重要的。

許多技術(shù)可以用于減小傳感器能耗。例如超微型差動可變磁阻轉(zhuǎn)換器（DVRT’s）可以完全被動地（即無功耗）測量應(yīng)變力且最大分辨率可達(dá)25 με[2]。

圖 1 MicroStrain的數(shù)據(jù)記錄收發(fā)節(jié)點

無線網(wǎng)絡(luò)所需功耗同樣也要求最小化。有一個建造低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案是由MicroStrain的數(shù)據(jù)記錄收發(fā)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的（圖1）。該系統(tǒng)運用了具有數(shù)據(jù)記錄能力的可尋址傳感器節(jié)點和雙向射頻收發(fā)通信連接[3]。由中央主機決定采樣觸發(fā)和高速訪問每個節(jié)點或所有節(jié)點。數(shù)據(jù)在節(jié)點內(nèi)就可以得到處理（例如頻率分析）然后當(dāng)從中央主機進(jìn)行查詢時上傳。通過對每一個傳感器節(jié)點配置一個16位的地址，可以讓多達(dá)65000個多通道節(jié)點僅由一臺電腦控制。由于每個節(jié)點只在當(dāng)有明確的請求時才傳輸數(shù)據(jù)，所以功耗使用可以由中央主機進(jìn)行很好的管理。

圖 2 能量收集，傳感，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理及無線通信系統(tǒng)的功能原理圖

我們的遠(yuǎn)期目標(biāo)是將應(yīng)變能收集系統(tǒng)與低功耗傳感器及低功耗網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，來建造一個易于部署且可長期無人值守運行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]（圖2）。對于該網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器節(jié)點設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：1）能部署超過1000個傳感器節(jié)點，一個射頻傳輸頻率連接一個接收器；2）較小的尺寸，易于安放；3）低成本；4）兼容絕大部分傳感器；5）能自動傳輸互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)；6）低功耗；7）較遠(yuǎn)的傳輸范圍。

1 方法

將單向壓電元件排成一行，把直徑250 μm的PZT纖維嵌入經(jīng)樹脂處理過的基質(zhì)內(nèi)。其厚度約為0.38 mm，長寬約為130×13 mm。再把該元件粘合到一個復(fù)合材料制成的橫梁測試樣品表面（圖4）。為了記錄作用的應(yīng)變力，需要將一個箔式應(yīng)變計粘貼到壓電元件頂部中央并校準(zhǔn)其分流值。

該樣品用一個工作在60、120和180 Hz的電動驅(qū)動器驅(qū)動使其在3處承受周期性彎曲負(fù)載。固定負(fù)載點之間間隔300 mm。由于設(shè)計成3點受力彎曲，這就讓PZT元件處于非均勻的應(yīng)變力場當(dāng)中：元件中間的應(yīng)變力最大，向兩端線性減小。PZT元件有效區(qū)域末端的應(yīng)變力僅為中間峰值的42%。

圖3 應(yīng)變能收集系統(tǒng)示意圖

圖4 橫梁表面粘合PZT纖維元件后在3點受力彎曲的照片

PZT元件在周期性彎曲時將有效應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為電能輸出。該輸出連接到一個由整流器輸出與47 μF儲能電容器相連組成的能量收集及儲存元件上（圖5）。在理想系統(tǒng)的運行中，一個很關(guān)鍵的理念是只有當(dāng)電容器中儲存有足夠的能量時才能為負(fù)載供電。為了體現(xiàn)這個理念，我們使用電池管理電路來達(dá)到這個目標(biāo)。用“納安”級超低功耗比較器LTC1540作為電壓感應(yīng)開關(guān)對此系統(tǒng)進(jìn)行功耗管理。

當(dāng)儲能電容器在充電時，電壓感應(yīng)開關(guān)一般處于斷開狀態(tài)。當(dāng)電容器電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時，開關(guān)閉合，儲存的能量供給負(fù)載。這個技術(shù)可以確保當(dāng)壓電轉(zhuǎn)換器在收集和儲存電能時系統(tǒng)其它部分不會耗能。

圖 5 能量收集電路為StrainLink無線傳感器節(jié)點供電示意圖

當(dāng)儲能電容器的電壓達(dá)到9.5 V的開啟閾值，開關(guān)閉合，電能被用來為StrainLink無線傳感器節(jié)點供電。StrainLink節(jié)點包含帶可編程增益及過濾的16位A/D轉(zhuǎn)換器，5個單獨連接的或3個有差別的傳感器輸入，帶16位地址的微控制器，板載EEPROM以及418 MHz的頻移鍵控式射頻傳輸器。對應(yīng)的射頻接收器包含EEPROM，XML輸出及以太網(wǎng)連接。從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收的數(shù)據(jù)根據(jù)其不同的地址來進(jìn)行解析，這樣可以僅用一個接收基站就可以使用眾多的傳輸器。

一旦有足夠的電壓供給StrainLink節(jié)點，其板載調(diào)節(jié)器向復(fù)位控制器發(fā)送一個高電平信號，這又轉(zhuǎn)而對PIC16C微控制器進(jìn)行上電。微控制器對其傳感器通道上電，從板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714讀取信號，再將這些傳感器數(shù)據(jù)和/或緊急狀態(tài)與唯一的16位識別（ID）碼一起傳送到接收器。傳輸器一直保持上電直到儲能電容器的電壓下降到2.5 V，此時開關(guān)再次斷開，停止對StrainLink節(jié)點的供電。

在壓電元件承受連續(xù)地周期性應(yīng)變力的情況下，電壓感應(yīng)開關(guān)的動作可以定時為StrainLink節(jié)點提供傳輸傳感器數(shù)據(jù)所需的足夠電量。傳輸之間的間隔時間（即儲能電容器充電時電壓從2.5到9.5 V所需的時間）是這項工作當(dāng)中主要的測量結(jié)果。這和系統(tǒng)收集能量的轉(zhuǎn)化率在本質(zhì)上是相同的。

2 結(jié)果

傳輸之間的間隔時間如圖6中所示顯示為頻率和最大有效應(yīng)變力作用的結(jié)果。對于150 με中等級別的應(yīng)變力，傳輸所需時間在30 s到160 s（測試從180 Hz到60 Hz）。這意味著在這樣的設(shè)置下一個傳感器節(jié)點向一些中央主機報告其傳感數(shù)據(jù)的間隔時間可以短至30 s。使用較高級別的應(yīng)變力可以縮短此時間至15 s。顯然使用更高級別的應(yīng)變力將會進(jìn)一步縮短此時間。

一旦儲能電容器被充電，它大約可以持續(xù)250 ms為StrainLink節(jié)點提供足夠的電量。這足夠從幾個傳感器采集有效數(shù)據(jù)并且將其再傳輸4到7次。

圖6 為應(yīng)變能收集模型充電的實驗測量時間（傳輸之間的間隔時間）。“充滿電”定義為在有足夠能量為StrainLink節(jié)點供電使其傳輸有效數(shù)據(jù)的時候

當(dāng)振動頻率在180 Hz時，該系統(tǒng)可以利用75到300 με的有效應(yīng)變力為儲能電容反復(fù)充電。當(dāng)驅(qū)動頻率降低時，系統(tǒng)成功運行所需的最小有效應(yīng)變力增加了（120 Hz時為100 με，60 Hz時為150 με）。這意味著即使當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)也存在一些能量泄露。導(dǎo)致這個后果的主要原因在于電容器的漏電流。除非能量收集速度比泄露速度快，否則儲能電容器的充電量不會增長。

數(shù)據(jù)指標(biāo)同樣可以用PZT元件結(jié)合能量收集電路的電力收集能力來表示（圖7）。從圖表中的數(shù)據(jù)可以看出能量儲存速率（即輸出功率）幾乎與有效應(yīng)變力成比例。此外，不同軌跡之間的相同間距表明輸出功率幾乎與有效頻率成比例。這些發(fā)現(xiàn)都是在預(yù)期內(nèi)的。

圖7 PZT元件結(jié)合能量收集電路的輸出功率

3 展望

這項工作驗證了一個優(yōu)越的無線傳感器節(jié)點的可行性，其所需電力僅來自于周圍環(huán)境中的周期性應(yīng)變力（振動）。所利用的應(yīng)變力級別（75至300 με）在工業(yè)環(huán)境范圍內(nèi)很常見。此外，所需的PZT元件的規(guī)格（小于17 cm2）適合大多數(shù)應(yīng)用。

儲能電容器的大小可以調(diào)節(jié)以向負(fù)載提供不同級別的功率。例如，如果某個特定的傳感器需要充裕的啟動時間，這時用一個較大的電容器可以使電力間隔足夠長的時間再使用。交換就是充電時間會相應(yīng)的更長。作為選擇，可能利用一節(jié)可充電電池替代電容器。

該應(yīng)變能收集方式能與智能的自主式自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一起部署，能用來監(jiān)測航空航天，汽車，民用以及醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的周期性應(yīng)變結(jié)構(gòu)[5]。我們可以對這些系統(tǒng)進(jìn)行展望，例如，可以應(yīng)用于如飛機，直升機，振動機以及新一代智能輪胎等依賴于維護(hù)和健康監(jiān)測的場合。

[1] 崔然, 馬旭東, 彭昌海. 基于無線傳感器技術(shù)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, (7), 53-58.

[2] Arms, S.W., Guzik, D.C., Mundell, S.W., Townsend, C.P.. Microminiature. High resolution, linear displacement sensor for peak strain detection in smart structures. The SPIE's 5th Annual Int'l conference on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, Mar 1-5 1998.

[3] Townsend, C.P., Hamel, M.J., Arms, S.W., Telemetered sensors for dynamic activity & structural performance monitoring. SPIE's 8th Int'l Symposium on Smart Structures & Materials and 6th Int'l Symposium on Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aging Infrastructure, San Diego, CA, paper presented 17-21, March, 2001.

[4] 任豐原, 黃海寧, 林闖. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報, 2003, 14(7): 1282-1291.

[5] 王殊等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2007: 37-57.

Research on Strain Energy Harvesting System for Wireless Sensor Networks

Gu Xuechen

(Naval Representatives Office in MARIC, Shanghai 200011, China)

TP301

A

1003-4862（2014）08-0077-04

2014-03-11

顧雪晨 (1981-)，男。研究方向：電氣工程。