適用于無線傳感器網絡的應變能收集系統研究

顧雪晨

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適用于無線傳感器網絡的應變能收集系統研究

顧雪晨

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011）

為了使嵌入式無線傳感器不再依賴電池供電，開發一個新型的利用應變能傳感器系統。首先用單向排列的壓電纖維與一塊復合材料樣品疊壓。再將一個箔式應變計與壓電纖維粘和并校準其分流值。該樣品用一個電動裝置驅動，頻率分別為60 Hz、120 Hz和180 Hz，其在3處承受周期性彎曲負載（75到300 με峰值）。驗證應變能收集系統的可行性。

應變 能量 壓電 傳感器 射頻 微機電系統

0 引言

這項工作旨在開發一個新型的傳感器系統，該系統無需電池即可無線發送數據。取而代之的是，它可以依靠從其周圍環境收集振動或應變能來獲得電力以維持工作。這將會使對設備和建筑物等的監測工作不再受限于電池的壽命。智能建筑和設備等將能持續自動發送數據[1]。

為了實現利用應變能的傳感器方案，系統所有的部件（傳感器、調節器、處理器、數據存儲器和數據傳輸器）消耗的功率必須和應變能的可用功率相匹配。因此，盡量減少系統功率消耗和提高應變能收集效率是同等重要的。

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

圖 1 MicroStrain的數據記錄收發節點

無線網絡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絡的方案是由MicroStrain的數據記錄收發網絡實現的（圖1）。該系統運用了具有數據記錄能力的可尋址傳感器節點和雙向射頻收發通信連接[3]。由中央主機決定采樣觸發和高速訪問每個節點或所有節點。數據在節點內就可以得到處理（例如頻率分析）然后當從中央主機進行查詢時上傳。通過對每一個傳感器節點配置一個16位的地址，可以讓多達65000個多通道節點僅由一臺電腦控制。由于每個節點只在當有明確的請求時才傳輸數據，所以功耗使用可以由中央主機進行很好的管理。

圖 2 能量收集，傳感，數據轉換，處理及無線通信系統的功能原理圖

我們的遠期目標是將應變能收集系統與低功耗傳感器及低功耗網絡相結合，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絡[4]（圖2）。對于該網絡中的無線傳感器節點設計標準如下：1）能部署超過1000個傳感器節點，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）能自動傳輸互聯網數據；6）低功耗；7）較遠的傳輸范圍。

1 方法

將單向壓電元件排成一行，把直徑250 μm的PZT纖維嵌入經樹脂處理過的基質內。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合材料制成的橫梁測試樣品表面（圖4）。為了記錄作用的應變力，需要將一個箔式應變計粘貼到壓電元件頂部中央并校準其分流值。

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

圖3 應變能收集系統示意圖

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變能轉化為電能輸出。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）。在理想系統的運行中，一個很關鍵的理念是只有當電容器中儲存有足夠的能量時才能為負載供電。為了體現這個理念，我們使用電池管理電路來達到這個目標。用“納安”級超低功耗比較器LTC1540作為電壓感應開關對此系統進行功耗管理。

當儲能電容器在充電時，電壓感應開關一般處于斷開狀態。當電容器電壓達到預先設定的閾值時，開關閉合，儲存的能量供給負載。這個技術可以確保當壓電轉換器在收集和儲存電能時系統其它部分不會耗能。

圖 5 能量收集電路為StrainLink無線傳感器節點供電示意圖

當儲能電容器的電壓達到9.5 V的開啟閾值，開關閉合，電能被用來為StrainLink無線傳感器節點供電。StrainLink節點包含帶可編程增益及過濾的16位A/D轉換器，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。對應的射頻接收器包含EEPROM，XML輸出及以太網連接。從網絡節點接收的數據根據其不同的地址來進行解析，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節點，其板載調節器向復位控制器發送一個高電平信號，這又轉而對PIC16C微控制器進行上電。微控制器對其傳感器通道上電，從板載模數轉換器AD7714讀取信號，再將這些傳感器數據和/或緊急狀態與唯一的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，此時開關再次斷開，停止對StrainLink節點的供電。

在壓電元件承受連續地周期性應變力的情況下，電壓感應開關的動作可以定時為StrainLink節點提供傳輸傳感器數據所需的足夠電量。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）是這項工作當中主要的測量結果。這和系統收集能量的轉化率在本質上是相同的。

2 結果

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變力作用的結果。對于150 με中等級別的應變力，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置下一個傳感器節點向一些中央主機報告其傳感數據的間隔時間可以短至30 s。使用較高級別的應變力可以縮短此時間至15 s。顯然使用更高級別的應變力將會進一步縮短此時間。

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

圖6 為應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節點供電使其傳輸有效數據的時候

當振動頻率在180 Hz時，該系統可以利用75到300 με的有效應變力為儲能電容反復充電。當驅動頻率降低時，系統成功運行所需的最小有效應變力增加了（120 Hz時為100 με，60 Hz時為150 με）。這意味著即使當開關處于斷開狀態也存在一些能量泄露。導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。

數據指標同樣可以用PZT元件結合能量收集電路的電力收集能力來表示（圖7）。從圖表中的數據可以看出能量儲存速率（即輸出功率）幾乎與有效應變力成比例。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。這些發現都是在預期內的。

圖7 PZT元件結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越的無線傳感器節點的可行性，其所需電力僅來自于周圍環境中的周期性應變力（振動）。所利用的應變力級別（75至300 με）在工業環境范圍內很常見。此外，所需的PZT元件的規格（小于17 cm2）適合大多數應用。

儲能電容器的大小可以調節以向負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的更長。作為選擇，可能利用一節可充電電池替代電容器。

該應變能收集方式能與智能的自主式自供電無線傳感器網絡一起部署，能用來監測航空航天，汽車，民用以及醫療應用領域的周期性應變結構[5]。我們可以對這些系統進行展望，例如，可以應用于如飛機，直升機，振動機以及新一代智能輪胎等依賴于維護和健康監測的場合。

[1] 崔然, 馬旭東, 彭昌海. 基于無線傳感器技術的樓宇環境監測系統設計[J]. 現代電子技術, 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. 無線傳感器網絡[J]. 軟件學報, 2003, 14(7): 1282-1291.

[5] 王殊等. 無線傳感器網絡的理論和應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 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。