基本信息
- 项目名称：
- 基于压电振动发电的微型无线传感网络节点设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 无线传感器网络综合了传感、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等多种技术，其节点数量一般较大，而且在很多场合下维护人员难以接近，因此节点的免维护性就成了一个很重要的需求，而其中最大的制约因素就是供电。本作品的研究能实现无线传感网络节点的自供电，不需要更换电池，从而提高其免维护性，可应用于飞机、船舶、车辆、建筑物、桥梁和工业设备等的安全及运行状态监控。
- 详细介绍：
- 本作品采用悬臂梁式双压电片机械结构，将高效的振动能量到电能的转换和电能存储方法与低功耗电路设计方法相结合，利用PZT压电振动换能元件将周围环境中的机械振动能量转化为电能给节点供电，即使在比较微弱的振动环境下节点也能正常工作，实现无线传感网络节点的自供电，不需要更换电池，从而提高其免维护性和使用寿命。 传感节点中内置A/D转换器的超低功耗微控制器（MSP430F449）是系统的信息处理和控制单元。微控制器接收传感器传来的模拟信号，转换成数字信号并经过处理后传送给超低功耗RF发送装置。为了降低整个系统的平均功耗，传感节点关闭接收装置，在没有数据发送的情况下RF发送装置处于休眠状态或断电状态。整个节点的电源由压电换能装置提供。 压电换能元件的结构中银电极和压电片较薄，钢梁较厚。该结构的主要优点有：一是压电片承受较大的弯曲应力；二是谐振频率较低；三是电极的制作非常方便。选择钢作悬臂梁和银作电极的原因是：1）柔性好，不易断裂；2）不会被锈蚀。钨块的作用是在加速度作用下产生弯曲力矩。采用钨的主要原因是其密度较大（19.3×103kg/m3），可以使整个装置的结构更加紧凑。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的和基本思路： 无线传感器网络作为信息领域的一个新兴研究方向，已经引起了各界的广泛关注。无线传感节点的供电问题是影响传感网络寿命和维护的关键因素。利用环境能量发电并实现传感节点的自供电，可以代替电池，为无线传感节点提供一种绿色长寿的供电方式。我们发现振动是一种非常有潜力的环境能源，其能量密度已经接近实用，并且广泛存在于自然界中。因此本作品选择压电振动发电，为无线传感网络节点供电。 本作品采用悬臂梁式压电片机械结构，将高效的振动能量到电能的转换和电能存储方法与低功耗电路设计方法相结合，利用PZT压电振动换能元件将机械能转化为电能给节点供电，即使在比较微弱的振动环境下节点也能正常工作，实现无线传感网络节点的自供电，从而提高其免维护性和使用寿命。 创新点： 1.基于利用梯度信息的遗传算法和田口稳健设计的压电元件稳健设计； 2.综合考虑计算、传输和通信能量开销的系统级能量优化技术； 3.基于低功耗器件和低功耗电源管理策略的电路功耗优化。 关键技术： 1.PZT-5复合压电元件幅频特性的稳健优化设计； 2.短时突发式无线发射技术和低功耗休眠机制的系统级功耗优化； 3.传感器节点的微弱电流测量和瞬态功耗的测量。 主要的技术指标： 1.无线传感节点的尺寸小于60mm×30mm×25mm； 2.在100Hz、1.5m/s2的振动条件下，压电换能元件的功率输出大于80μW。
科学性、先进性
- 作品的科学性： 1）非等截面压电振动换能元件的机电耦合模型设计； 2）PZT-5压电换能元件幅频特性的稳健优化设计；本设计将利用梯度信息的遗传算法和基于正交试验的田口稳健设计方法相结合，仍然采用田口稳健设计的双环结构； 3）无线传感器网络节点低功耗设计；用了低功耗软件设计方法：优化系统时钟、优化工作时序和精简冗余指令等，实现了节点的低功耗； 4）无线传感节点的测量技术；包括无线传感网络节点功耗测量、无线传感器网络节点误帧率测试、压电振动换能器的测试技术。 作品的先进性： 设计与制作了在满足无线传感节点使用性能前提下的压电振动换能器原理样机，样机在100Hz、1.5m/s2的振动条件下，压电换能元件的电功率输出大于80μW，无线传感节点的尺寸小于60mm×30mm×25mm（L×B×W）；在上述自供电条件下，数据传输速率为1kbps，接收端灵敏度为-85dBmW时室外传输距离大于30m（室内大于10m），数据帧丢失及差错率小于0.12％。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在2009年6月举办的第十届挑战杯四川省大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 本作品由基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置和微型低功耗传感器节点组成。振动的机械能通过压电换能器转化为电能，经过电量收集装置整流、稳压和储能，最终形成变压后的压电振动电源为无线传感器网络节点供电。传感器节点由微处理器、射频发射装置及传感器构成，通过电源接口与供电装置连接，待供电装置正常启动后打开节点的电源开关即可正常工作。 技术特点及优势： 本作品的采用环境能量供电，为无线传感节点提供一种绿色长寿的供电方式。本作品能提高无线传感网络节点的免维护性，传感器节点功耗低，对于使用电池供电无线传感器网络具有重要意义。 应用前景及经济效益： 本作品研究的是一种军民两用技术，预期成果具有较好的市场前景和重要的国防意义。主要用途有：飞机、车辆、桥梁和工业设备等设施的无线状态监控；野外生态和环境监控网络；农业及危险作业的安全监控网络等。该技术可降低无线传感器网络的维护成本，并且对生产设备要求不高，易于产品化。
同类课题研究水平概述
- 目前，无线传感器网络研究已成为国际关注的热点，相关文献很多，基本上集中在近五年以内，且呈指数增长，研究内容分布广。供电问题是无线传感器网络的核心问题之一，与处理、存储和通信技术的飞速进步相比，电源技术进步的速度要小得多。在过去的十多年里，电源的能量密度并没有明显提高。电池可以持续产生较大的电流，但是其寿命非常有限，常常几个月就要更换，使得维护工作量较大，不适合于节点大量部署或操作人员难以接近的场合。 关于压点振动发电装置技术，国外有较多的研究。MIT的Amirtharajah研制了一种电磁式振动－电能转换器，在4cm×4cm×10cm的体积上产生了400μW的电功率。MIT的Meninger和加州大学伯克利分校的Roundy分别设计了基于MEMS的静电振动－电能转换器，采用叉指式可变电容来实现能量转换，功率密度可达每立方厘米几十微瓦。加州大学伯克利分校的Shad Roundy等开发了一种结构紧凑的压电式振动发电机为超低功耗射频电路供电，它由两层PZT悬臂梁构成。该发电机在2.5m/s2、120Hz的工作条件下可为纯阻性负载提供375μW（纯容性负载为180μW）的电功率。美国MicroStrain公司研制了一种基于压电陶瓷复合材料的应变能量回收装置，可产生330μW的电功率。 在基于压电元件的振动能量到电能的转换方面，国内的研究工作始于90年代中期，近几年研究也比较热，主要是将PZT压电元件作为耗能元件或者执行器，对机械振动进行被动（无源）、半主动（半有源）或主动（有源）的能量回收。南京航空航天大学孙亚飞等研究了压电材料电荷能量回收技术，但是只是将电能作为压电执行器的副产品进行回收，并不是将其作为一个独立的电源。重庆大学李平等开展了通过天线收集电磁能的无线微传感器方面的研究，主要用于RFID等超低功耗装置的供电。上海交通大学董璐研制的最佳硅悬臂梁结构压电振动换能器的谐振频率为 229Hz，在 0.5g 正弦振动源的激励下电压输出的交流峰-峰值达到 3.93V，经桥式整流后连接 200kΩ电阻负载时，输出功率达到 2.25μW。吉林大学闫世伟研制的悬臂支撑冲击式压电发电装置应用到RF无线系统，其所设计的控制电路可以使压电发电装置提供持续1s左右的电压信号，RF无线系统遥控传输距离为10m，发射功率为20mW，接收灵敏度为-100dBmW。
