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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于壓電振動發(fā)電的微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感、嵌入式計(jì)算、分布式信息處理和無線通信等多種技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般較大，而且在很多場合下維護(hù)人員難以接近，因此節(jié)點(diǎn)的免維護(hù)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(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電，不需要更換電池，從而提高其免維護(hù)性，可應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、車輛、建筑物、橋梁和工業(yè)設(shè)備等的安全及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品采用懸臂梁式雙壓電片機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)械振動能量轉(zhuǎn)化為電能給節(jié)點(diǎn)供電，即使在比較微弱的振動環(huán)境下節(jié)點(diǎn)也能正常工作，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電，不需要更換電池，從而提高其免維護(hù)性和使用壽命。 傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)關(guān)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(diǎn)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(diǎn)有：一是壓電片承受較大的彎曲應(yīng)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息領(lǐng)域的一個新興研究方向，已經(jīng)引起了各界的廣泛關(guān)注。無線傳感節(jié)點(diǎn)的供電問題是影響傳感網(wǎng)絡(luò)壽命和維護(hù)的關(guān)鍵因素。利用環(huán)境能量發(fā)電并實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的自供電，可以代替電池，為無線傳感節(jié)點(diǎn)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(shí)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(luò)節(jié)點(diǎn)供電。 本作品采用懸臂梁式壓電片機(jī)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(shè)計(jì)方法相結(jié)合，利用PZT壓電振動換能元件將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給節(jié)點(diǎn)供電，即使在比較微弱的振動環(huán)境下節(jié)點(diǎn)也能正常工作，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電，從而提高其免維護(hù)性和使用壽命。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.基于利用梯度信息的遺傳算法和田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)的壓電元件穩(wěn)健設(shè)計(jì)； 2.綜合考慮計(jì)算、傳輸和通信能量開銷的系統(tǒng)級能量優(yōu)化技術(shù)； 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(guān)鍵技術(shù)： 1.PZT-5復(fù)合壓電元件幅頻特性的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)； 2.短時突發(fā)式無線發(fā)射技術(shù)和低功耗休眠機(jī)制的系統(tǒng)級功耗優(yōu)化； 3.傳感器節(jié)點(diǎn)的微弱電流測量和瞬態(tài)功耗的測量。 主要的技術(shù)指標(biāo)： 1.無線傳感節(jié)點(diǎn)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(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)性： 1）非等截面壓電振動換能元件的機(jī)電耦合模型設(shè)計(jì)； 2）PZT-5壓電換能元件幅頻特性的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)將利用梯度信息的遺傳算法和基于正交試驗(yàn)的田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，仍然采用田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)； 3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)；用了低功耗軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的低功耗； 4）無線傳感節(jié)點(diǎn)的測量技術(shù)；包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗測量、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)誤幀率測試、壓電振動換能器的測試技術(shù)。 作品的先進(jìn)性： 設(shè)計(jì)與制作了在滿足無線傳感節(jié)點(diǎn)使用性能前提下的壓電振動換能器原理樣機(jī)，樣機(jī)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(diǎn)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(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得一等獎
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)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(luò)節(jié)點(diǎn)供電裝置和微型低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)組成。振動的機(jī)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(luò)節(jié)點(diǎn)供電。傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的電源開關(guān)即可正常工作。 技術(shù)特點(diǎn)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(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)的免維護(hù)性，傳感器節(jié)點(diǎn)功耗低，對于使用電池供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。 應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益： 本作品研究的是一種軍民兩用技術(shù)，預(yù)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(jī)、車輛、橋梁和工業(yè)設(shè)備等設(shè)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(luò)；農(nóng)業(yè)及危險作業(yè)的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。該技術(shù)可降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本，并且對生產(chǎn)設(shè)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(luò)研究已成為國際關(guān)注的熱點(diǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)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(luò)的核心問題之一，與處理、存儲和通信技術(shù)的飛速進(jìn)步相比，電源技術(shù)進(jìn)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(hù)工作量較大，不適合于節(jié)點(diǎn)大量部署或操作人員難以接近的場合。 關(guān)于壓點(diǎn)振動發(fā)電裝置技術(shù)，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(xué)伯克利分校的Roundy分別設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，功率密度可達(dá)每立方厘米幾十微瓦。加州大學(xué)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(jī)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(jī)在2.5m/s2、120Hz的工作條件下可為純阻性負(fù)載提供375μW（純?nèi)菪载?fù)載為180μW）的電功率。美國MicroStrain公司研制了一種基于壓電陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)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(jī)械振動進(jìn)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(xué)孫亞飛等研究了壓電材料電荷能量回收技術(shù)，但是只是將電能作為壓電執(zhí)行器的副產(chǎn)品進(jìn)行回收，并不是將其作為一個獨(dú)立的電源。重慶大學(xué)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(xué)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(dá)到 3.93V，經(jīng)橋式整流后連接 200kΩ電阻負(fù)載時，輸出功率達(dá)到 2.25μW。吉林大學(xué)閆世偉研制的懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置應(yīng)用到RF無線系統(tǒng)，其所設(shè)計(jì)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。
