基本信息
- 項目名稱：
- 基于壓電振動發(fā)電的微型無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感、嵌入式計算、分布式信息處理和無線通信等多種技術，其節(jié)點數(shù)量一般較大，而且在很多場合下維護人員難以接近，因此節(jié)點的免維護性就成了一個很重要的需求，而其中最大的制約因素就是供電。本作品的研究能實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的自供電，不需要更換電池，從而提高其免維護性，可應用于飛機、船舶、車輛、建筑物、橋梁和工業(yè)設備等的安全及運行狀態(tài)監(jiān)控。
- 詳細介紹：
- 本作品采用懸臂梁式雙壓電片機械結(jié)構(gòu)，將高效的振動能量到電能的轉(zhuǎn)換和電能存儲方法與低功耗電路設計方法相結(jié)合，利用PZT壓電振動換能元件將周圍環(huán)境中的機械振動能量轉(zhuǎn)化為電能給節(jié)點供電，即使在比較微弱的振動環(huán)境下節(jié)點也能正常工作，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的自供電，不需要更換電池，從而提高其免維護性和使用壽命。 傳感節(jié)點中內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的超低功耗微控制器（MSP430F449）是系統(tǒng)的信息處理和控制單元。微控制器接收傳感器傳來的模擬信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并經(jīng)過處理后傳送給超低功耗RF發(fā)送裝置。為了降低整個系統(tǒng)的平均功耗，傳感節(jié)點關閉接收裝置，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的情況下RF發(fā)送裝置處于休眠狀態(tài)或斷電狀態(tài)。整個節(jié)點的電源由壓電換能裝置提供。 壓電換能元件的結(jié)構(gòu)中銀電極和壓電片較薄，鋼梁較厚。該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有：一是壓電片承受較大的彎曲應力；二是諧振頻率較低；三是電極的制作非常方便。選擇鋼作懸臂梁和銀作電極的原因是：1）柔性好，不易斷裂；2）不會被銹蝕。鎢塊的作用是在加速度作用下產(chǎn)生彎曲力矩。采用鎢的主要原因是其密度較大（19.3×103kg/m3），可以使整個裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的和基本思路： 無線傳感器網(wǎng)絡作為信息領域的一個新興研究方向，已經(jīng)引起了各界的廣泛關注。無線傳感節(jié)點的供電問題是影響傳感網(wǎng)絡壽命和維護的關鍵因素。利用環(huán)境能量發(fā)電并實現(xiàn)傳感節(jié)點的自供電，可以代替電池，為無線傳感節(jié)點提供一種綠色長壽的供電方式。我們發(fā)現(xiàn)振動是一種非常有潛力的環(huán)境能源，其能量密度已經(jīng)接近實用，并且廣泛存在于自然界中。因此本作品選擇壓電振動發(fā)電，為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點供電。 本作品采用懸臂梁式壓電片機械結(jié)構(gòu)，將高效的振動能量到電能的轉(zhuǎn)換和電能存儲方法與低功耗電路設計方法相結(jié)合，利用PZT壓電振動換能元件將機械能轉(zhuǎn)化為電能給節(jié)點供電，即使在比較微弱的振動環(huán)境下節(jié)點也能正常工作，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的自供電，從而提高其免維護性和使用壽命。 創(chuàng)新點： 1.基于利用梯度信息的遺傳算法和田口穩(wěn)健設計的壓電元件穩(wěn)健設計； 2.綜合考慮計算、傳輸和通信能量開銷的系統(tǒng)級能量優(yōu)化技術； 3.基于低功耗器件和低功耗電源管理策略的電路功耗優(yōu)化。 關鍵技術： 1.PZT-5復合壓電元件幅頻特性的穩(wěn)健優(yōu)化設計； 2.短時突發(fā)式無線發(fā)射技術和低功耗休眠機制的系統(tǒng)級功耗優(yōu)化； 3.傳感器節(jié)點的微弱電流測量和瞬態(tài)功耗的測量。 主要的技術指標： 1.無線傳感節(jié)點的尺寸小于60mm×30mm×25mm； 2.在100Hz、1.5m/s2的振動條件下，壓電換能元件的功率輸出大于80μW。
科學性、先進性
- 作品的科學性： 1）非等截面壓電振動換能元件的機電耦合模型設計； 2）PZT-5壓電換能元件幅頻特性的穩(wěn)健優(yōu)化設計；本設計將利用梯度信息的遺傳算法和基于正交試驗的田口穩(wěn)健設計方法相結(jié)合，仍然采用田口穩(wěn)健設計的雙環(huán)結(jié)構(gòu)； 3）無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點低功耗設計；用了低功耗軟件設計方法：優(yōu)化系統(tǒng)時鐘、優(yōu)化工作時序和精簡冗余指令等，實現(xiàn)了節(jié)點的低功耗； 4）無線傳感節(jié)點的測量技術；包括無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點功耗測量、無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點誤幀率測試、壓電振動換能器的測試技術。 作品的先進性： 設計與制作了在滿足無線傳感節(jié)點使用性能前提下的壓電振動換能器原理樣機，樣機在100Hz、1.5m/s2的振動條件下，壓電換能元件的電功率輸出大于80μW，無線傳感節(jié)點的尺寸小于60mm×30mm×25mm（L×B×W）；在上述自供電條件下，數(shù)據(jù)傳輸速率為1kbps，接收端靈敏度為-85dBmW時室外傳輸距離大于30m（室內(nèi)大于10m），數(shù)據(jù)幀丟失及差錯率小于0.12％。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品在2009年6月舉辦的第十屆挑戰(zhàn)杯四川省大學生課外學術科技作品競賽中獲得一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明： 本作品由基于壓電陶瓷振動發(fā)電的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電裝置和微型低功耗傳感器節(jié)點組成。振動的機械能通過壓電換能器轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過電量收集裝置整流、穩(wěn)壓和儲能，最終形成變壓后的壓電振動電源為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電。傳感器節(jié)點由微處理器、射頻發(fā)射裝置及傳感器構(gòu)成，通過電源接口與供電裝置連接，待供電裝置正常啟動后打開節(jié)點的電源開關即可正常工作。 技術特點及優(yōu)勢： 本作品的采用環(huán)境能量供電，為無線傳感節(jié)點提供一種綠色長壽的供電方式。本作品能提高無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的免維護性，傳感器節(jié)點功耗低，對于使用電池供電無線傳感器網(wǎng)絡具有重要意義。 應用前景及經(jīng)濟效益： 本作品研究的是一種軍民兩用技術，預期成果具有較好的市場前景和重要的國防意義。主要用途有：飛機、車輛、橋梁和工業(yè)設備等設施的無線狀態(tài)監(jiān)控；野外生態(tài)和環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡；農(nóng)業(yè)及危險作業(yè)的安全監(jiān)控網(wǎng)絡等。該技術可降低無線傳感器網(wǎng)絡的維護成本，并且對生產(chǎn)設備要求不高，易于產(chǎn)品化。
同類課題研究水平概述
- 目前，無線傳感器網(wǎng)絡研究已成為國際關注的熱點，相關文獻很多，基本上集中在近五年以內(nèi)，且呈指數(shù)增長，研究內(nèi)容分布廣。供電問題是無線傳感器網(wǎng)絡的核心問題之一，與處理、存儲和通信技術的飛速進步相比，電源技術進步的速度要小得多。在過去的十多年里，電源的能量密度并沒有明顯提高。電池可以持續(xù)產(chǎn)生較大的電流，但是其壽命非常有限，常常幾個月就要更換，使得維護工作量較大，不適合于節(jié)點大量部署或操作人員難以接近的場合。 關于壓點振動發(fā)電裝置技術，國外有較多的研究。MIT的Amirtharajah研制了一種電磁式振動－電能轉(zhuǎn)換器，在4cm×4cm×10cm的體積上產(chǎn)生了400μW的電功率。MIT的Meninger和加州大學伯克利分校的Roundy分別設計了基于MEMS的靜電振動－電能轉(zhuǎn)換器，采用叉指式可變電容來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，功率密度可達每立方厘米幾十微瓦。加州大學伯克利分校的Shad Roundy等開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的壓電式振動發(fā)電機為超低功耗射頻電路供電，它由兩層PZT懸臂梁構(gòu)成。該發(fā)電機在2.5m/s2、120Hz的工作條件下可為純阻性負載提供375μW（純?nèi)菪载撦d為180μW）的電功率。美國MicroStrain公司研制了一種基于壓電陶瓷復合材料的應變能量回收裝置，可產(chǎn)生330μW的電功率。 在基于壓電元件的振動能量到電能的轉(zhuǎn)換方面，國內(nèi)的研究工作始于90年代中期，近幾年研究也比較熱，主要是將PZT壓電元件作為耗能元件或者執(zhí)行器，對機械振動進行被動（無源）、半主動（半有源）或主動（有源）的能量回收。南京航空航天大學孫亞飛等研究了壓電材料電荷能量回收技術，但是只是將電能作為壓電執(zhí)行器的副產(chǎn)品進行回收，并不是將其作為一個獨立的電源。重慶大學李平等開展了通過天線收集電磁能的無線微傳感器方面的研究，主要用于RFID等超低功耗裝置的供電。上海交通大學董璐研制的最佳硅懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振動換能器的諧振頻率為 229Hz，在 0.5g 正弦振動源的激勵下電壓輸出的交流峰-峰值達到 3.93V，經(jīng)橋式整流后連接 200kΩ電阻負載時，輸出功率達到 2.25μW。吉林大學閆世偉研制的懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置應用到RF無線系統(tǒng)，其所設計的控制電路可以使壓電發(fā)電裝置提供持續(xù)1s左右的電壓信號，RF無線系統(tǒng)遙控傳輸距離為10m，發(fā)射功率為20mW，接收靈敏度為-100dBmW。
