顧雪晨

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適用于無(wú)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(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

為了使嵌入式無(wú)線傳感器不再依賴電池供電，開(kāi)發(fā)一個(gè)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(gè)箔式應(yīng)變計(jì)與壓電纖維粘和并校準(zhǔn)其分流值。該樣品用一個(gè)電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，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(yàn)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(jī)電系統(tǒng)

0 引言

這項(xiàng)工作旨在開(kāi)發(fā)一個(gè)新型的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)需電池即可無(wú)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(dòng)或應(yīng)變能來(lái)獲得電力以維持工作。這將會(huì)使對(duì)設(shè)備和建筑物等的監(jiān)測(cè)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)[1]。

為了實(shí)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(chǔ)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(dòng)可變磁阻轉(zhuǎn)換器（DVRT’s）可以完全被動(dòng)地（即無(wú)功耗）測(cè)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(diǎn)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所需功耗同樣也要求最小化。有一個(gè)建造低功耗無(wú)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(shí)現(xiàn)的（圖1）。該系統(tǒng)運(yùn)用了具有數(shù)據(jù)記錄能力的可尋址傳感器節(jié)點(diǎn)和雙向射頻收發(fā)通信連接[3]。由中央主機(jī)決定采樣觸發(fā)和高速訪問(wèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)或所有節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)就可以得到處理（例如頻率分析）然后當(dāng)從中央主機(jī)進(jìn)行查詢時(shí)上傳。通過(guò)對(duì)每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)16位的地址，可以讓多達(dá)65000個(gè)多通道節(jié)點(diǎn)僅由一臺(tái)電腦控制。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只在當(dāng)有明確的請(qǐng)求時(shí)才傳輸數(shù)據(jù)，所以功耗使用可以由中央主機(jī)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(wú)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(lái)建造一個(gè)易于部署且可長(zhǎng)期無(wú)人值守運(yùn)行的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]（圖2）。對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：1）能部署超過(guò)1000個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)射頻傳輸頻率連接一個(gè)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(dòng)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(shù)脂處理過(guò)的基質(zhì)內(nèi)。其厚度約為0.38 mm，長(zhǎng)寬約為130×13 mm。再把該元件粘合到一個(gè)復(fù)合材料制成的橫梁測(cè)試樣品表面（圖4）。為了記錄作用的應(yīng)變力，需要將一個(gè)箔式應(yīng)變計(jì)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(gè)工作在60、120和180 Hz的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)使其在3處承受周期性彎曲負(fù)載。固定負(fù)載點(diǎn)之間間隔300 mm。由于設(shè)計(jì)成3點(diǎn)受力彎曲，這就讓PZT元件處于非均勻的應(yīng)變力場(chǎng)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(diǎn)受力彎曲的照片

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

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

圖 5 能量收集電路為StrainLink無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電示意圖

當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電壓達(dá)到9.5 V的開(kāi)啟閾值，開(kāi)關(guān)閉合，電能被用來(lái)為StrainLink無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。StrainLink節(jié)點(diǎn)包含帶可編程增益及過(guò)濾的16位A/D轉(zhuǎn)換器，5個(gè)單獨(dú)連接的或3個(gè)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(duì)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(diǎn)接收的數(shù)據(jù)根據(jù)其不同的地址來(lái)進(jìn)行解析，這樣可以僅用一個(gè)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(diǎn)，其板載調(diào)節(jié)器向復(fù)位控制器發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，這又轉(zhuǎn)而對(duì)PIC16C微控制器進(jìn)行上電。微控制器對(duì)其傳感器通道上電，從板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714讀取信號(hào)，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(shí)別（ID）碼一起傳送到接收器。傳輸器一直保持上電直到儲(chǔ)能電容器的電壓下降到2.5 V，此時(shí)開(kāi)關(guān)再次斷開(kāi)，停止對(duì)StrainLink節(jié)點(diǎn)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(kāi)關(guān)的動(dòng)作可以定時(shí)為StrainLink節(jié)點(diǎn)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(shí)間（即儲(chǔ)能電容器充電時(shí)電壓從2.5到9.5 V所需的時(shí)間）是這項(xiàng)工作當(dāng)中主要的測(cè)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(shí)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(duì)于150 με中等級(jí)別的應(yīng)變力，傳輸所需時(shí)間在30 s到160 s（測(cè)試從180 Hz到60 Hz）。這意味著在這樣的設(shè)置下一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一些中央主機(jī)報(bào)告其傳感數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間可以短至30 s。使用較高級(jí)別的應(yīng)變力可以縮短此時(shí)間至15 s。顯然使用更高級(jí)別的應(yīng)變力將會(huì)進(jìn)一步縮短此時(shí)間。

一旦儲(chǔ)能電容器被充電，它大約可以持續(xù)250 ms為StrainLink節(jié)點(diǎn)提供足夠的電量。這足夠從幾個(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)間（傳輸之間的間隔時(shí)間）。“充滿電”定義為在有足夠能量為StrainLink節(jié)點(diǎn)供電使其傳輸有效數(shù)據(jù)的時(shí)候

當(dāng)振動(dòng)頻率在180 Hz時(shí)，該系統(tǒng)可以利用75到300 με的有效應(yīng)變力為儲(chǔ)能電容反復(fù)充電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率降低時(shí)，系統(tǒng)成功運(yùn)行所需的最小有效應(yīng)變力增加了（120 Hz時(shí)為100 με，60 Hz時(shí)為150 με）。這意味著即使當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)也存在一些能量泄露。導(dǎo)致這個(gè)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(chǔ)能電容器的充電量不會(huì)增長(zhǎng)。

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(lái)表示（圖7）。從圖表中的數(shù)據(jù)可以看出能量?jī)?chǔ)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(xiàng)工作驗(yàn)證了一個(gè)優(yōu)越的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的可行性，其所需電力僅來(lái)自于周圍環(huán)境中的周期性應(yīng)變力（振動(dòng)）。所利用的應(yīng)變力級(jí)別（75至300 με）在工業(yè)環(huán)境范圍內(nèi)很常見(jiàn)。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(chǔ)能電容器的大小可以調(diào)節(jié)以向負(fù)載提供不同級(jí)別的功率。例如，如果某個(gè)特定的傳感器需要充裕的啟動(dòng)時(shí)間，這時(shí)用一個(gè)較大的電容器可以使電力間隔足夠長(zhǎng)的時(shí)間再使用。交換就是充電時(shí)間會(huì)相應(yīng)的更長(zhǎng)。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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一起部署，能用來(lái)監(jiān)測(cè)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(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行展望，例如，可以應(yīng)用于如飛機(jī)，直升機(jī)，振動(dòng)機(jī)以及新一代智能輪胎等依賴于維護(hù)和健康監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

[1] 崔然, 馬旭東, 彭昌海. 基于無(wú)線傳感器技術(shù)的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報(bào), 2003, 14(7): 1282-1291.

[5] 王殊等. 無(wú)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。