湯 鴻，李 鑫，梁俊睿

(1.上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210；2.中國科學(xué)院大學(xué)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目前，大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是由電池進(jìn)行供電的。但是由于電池的容量有限，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加，電池的維護(hù)將會成為一個(gè)亟待解決的問題。除此之外，電池還會造成環(huán)保安全問題?；陔姵氐倪@些缺點(diǎn)，利用能量收集技術(shù)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)是一項(xiàng)非常重要和有前景的解決方案。通過俘獲環(huán)境中的能量來代替電池，很有希望實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的永續(xù)能。在眾多能量收集技術(shù)中，振動能量的分布廣泛，并且不受到時(shí)間的限制，因此本文使用振動能量作為環(huán)境能源。在這幾種常用的動能收集器中，壓電的研究最為成熟，已經(jīng)有許多的學(xué)者為其提出了相關(guān)的接口電路[1-7]。因此本研究中使用壓電來實(shí)現(xiàn)動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

想要利用振動能量，除了使用壓電將振動能量轉(zhuǎn)化成電能，還需要使用接口電路。由于振動能量收集器中產(chǎn)生的電能是交流電，而傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要使用直流電來進(jìn)行供電，所以需要使用接口電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。接口電路除了以上的功能以外，還可以提供能量收集的效率和擴(kuò)展能量收集系統(tǒng)的帶寬。在壓電能量收集系統(tǒng)中，最簡單的標(biāo)準(zhǔn)接口電路(Standard Energy Harvesting，SEH)是橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。由于壓電材料具有電容的特性，因此其輸出的電壓和電流具有相位差，引入了無功功率，如圖2(a)。為了解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[8]中首次引入非線性的方法?；谶@種同步開關(guān)的思想，涌現(xiàn)了大量的接口電路。例如，同步電荷提取接口電路(Synchronous Electric Charge Extraction，SECE)[1]，預(yù)偏置電路[2-3，9]、能量注入與回收接口電路[4-5]、同步電壓多次翻轉(zhuǎn)電路[6-7]等等。其中，SECE電路的特點(diǎn)是除了能夠大大地提高能量俘獲效率外，還可以將源和負(fù)載解耦。使得理論上，能量俘獲的效率與負(fù)載無關(guān)[1]。雖然有大量的關(guān)于接口電路的文章，但這些工作中大多是使用阻性負(fù)載來衡量電路的性能，鮮有使用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載的工作。

目前也涌現(xiàn)出了許多關(guān)于動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的研究[10-12]。這種動能供能的節(jié)點(diǎn)的典型工作流程如圖1所示，主要包括冷啟動階段和任務(wù)執(zhí)行階段，圖中為儲能電容的電壓波形。在動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，一個(gè)非常重要的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)是其冷啟動時(shí)間。這種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不是由電池供電的，儲能單元通常為電容。當(dāng)電容中的電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，標(biāo)志著其能量足夠讓節(jié)點(diǎn)啟動，這時(shí)候會使用電容中的電為節(jié)點(diǎn)供能。這個(gè)電壓稱為冷啟動電壓，電容電壓從零開始到達(dá)冷啟動電壓的時(shí)間稱為冷啟動時(shí)間。其中本文主要想要優(yōu)化冷啟動時(shí)間。如果接口電路能夠在零到冷啟動電壓這個(gè)區(qū)間內(nèi)更加高效地工作，就能縮短啟動時(shí)間。因?yàn)榄h(huán)境中的振動能量的起始時(shí)間是非常不確定的，時(shí)有時(shí)無，因此一個(gè)節(jié)點(diǎn)如果可以更快的啟動，有利于提高其工作效率。

圖1 動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作階段及對應(yīng)的儲能電容電壓波形

目前的研究中，鮮有關(guān)于接口電路的選用對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的影響。文獻(xiàn)[13-14]在動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中使用到了同步開關(guān)電感(SSHI)電路。文獻(xiàn)[15]研究了使用SSHI電路對于SEH的優(yōu)勢，但是沒有考慮到SECE的優(yōu)勢。另外，該文獻(xiàn)中關(guān)注的是相同時(shí)間內(nèi)輸入相同的振動，使用哪種接口電路可以在電容中存儲更多的能量。但是這個(gè)指標(biāo)無法反映哪個(gè)接口電路更快的到達(dá)冷啟動電壓。本文章關(guān)注的是輸入相同的振動，哪種接口電路可以更快地讓電容存儲到某個(gè)能量值。也就是關(guān)注使用哪種接口電路可以使得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)更快地冷啟動。本文根據(jù)不同的接口電路的特點(diǎn)以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的工作特性及需求，提出了不同冷啟動電壓的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選擇不同的接口電路的思路。通過實(shí)驗(yàn)證明在冷啟動電壓低于某個(gè)值的時(shí)候，選用SECE電路更加具有優(yōu)勢，高于該值時(shí)，SSHI電路的表現(xiàn)更好。此研究還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以由動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其可以采集模擬電壓信號，并且以300 ms為周期發(fā)送無線信號到接收端。此研究提出了一種 新的思路，除了要注重接口電路在一段時(shí)間能收集 到的能量，還要考慮動能供能節(jié)點(diǎn)的冷啟動電壓。

1 接口電路

在壓電能量收集技術(shù)中，常用的接口電路包括SSHI和SECE，它們的核心目的都是改善接口電路的功率因數(shù)，以減輕使用SEH時(shí)無功功率帶來的影響。

1.1 同步開關(guān)電感電路(SSHI)

SSHI電路的電路拓?fù)浼半妷号c電流的波形圖如圖2(b)所示。SSHI電路可以分為串聯(lián)型SSHI(S-SSHI)電路和并聯(lián)型SSHI(P-SSHI)，圖2(b)中的為P-SSHI。由于P-SSHI的功率相比于S-SSHI更高，因此本文中討論的是P-SSHI。對于P-SSHI來說，通常情況下開關(guān)S都是斷開的。這時(shí)候ieq為Cp充電。當(dāng)ieq上的電壓達(dá)到最大值的時(shí)候，ieq正好經(jīng)過零點(diǎn)，這時(shí)候開關(guān)閉合。Cp和Li組成一個(gè)LC震蕩電路。在1/2震蕩周期以后，開關(guān)S斷開。Cp上的電壓實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。由于LC的震蕩頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械振動的頻率，ieq的波形幾乎不會變化。接著，ieq繼續(xù)往Cp充電，重復(fù)上面的過程。SSHI實(shí)現(xiàn)的電壓翻轉(zhuǎn)使得ieq和vp的正負(fù)值保持相同。理論上，使用SSHI可以避免無功功率的產(chǎn)生。

圖2 接口電路的拓?fù)浼捌鋵?yīng)的電壓電流波形

1.2 同步開關(guān)電荷提取電路(SECE)

SECE電路的電路拓?fù)浼半妷号c電流的波形如圖2(c)所示。其電路由整流橋及Buck-boost電路組成。同SSHI電路一樣，SECE電路也需要用到同步開關(guān)。在通常情況下開關(guān)S處于斷開的狀態(tài)，這時(shí)候的電路與SEH電路無異，ieq對電容Cp進(jìn)行充電，在這個(gè)過程中Cp也就是壓電片兩端的電壓處于不斷地上升的狀態(tài)。當(dāng)ieq為0的時(shí)候，Cp兩端的電壓此時(shí)也正好為最高值。這時(shí)候開關(guān)S會閉合，Cp和Li會組成一個(gè)震蕩電路。經(jīng)歷1/4震蕩周期以后，Cp中的電荷全部轉(zhuǎn)移到Li中，在這時(shí)候斷開開關(guān)，Li就開始為電容Crect充電。

從電流電壓的波形如圖2(c)可以看出SECE電路可以使得電壓vp和電流ieq總是保持在正負(fù)值相同的狀態(tài)。另外，若ieq的值不發(fā)生變化的話，在每次閉合開關(guān)，從Cp流入到Li的能量都是相同的。此時(shí)，使用SECE可以使得輸出的功率電壓與負(fù)載無關(guān)。

1.3 自供能的實(shí)現(xiàn)

想要實(shí)現(xiàn)圖2的SSHI和SECE電路，需要檢測壓電片的輸出電壓是否為峰值，于是需要用到需要額外電池供電的外部控制器。為了實(shí)現(xiàn)自供能，可以將電壓檢測和開關(guān)控制的功能替換成由包絡(luò)檢波器、比較器以及半導(dǎo)體開關(guān)組成的自檢測開關(guān)，如圖3所示。利用這種開關(guān)，可以自動在壓電片輸出為峰值電壓的時(shí)閉合開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)同步電荷翻轉(zhuǎn)和同步電荷提取的效果。

以圖3(b)為例子分析同步開關(guān)的原理。大部分的時(shí)間里，三極管T2都處于斷開的狀態(tài)，壓電換能器給Cp和電容C1充電，它們的電壓值v1和vp上升。比較器可以比較C1和Cp的電壓。因此，當(dāng)vp開始下降的時(shí)候，如果忽略二極管產(chǎn)生的壓降的話，v1電壓會高于vp。如果二極管的壓降不可忽略的話，v1會在vp下降一小段時(shí)間后大于它。這時(shí)候，三極管T2作為開關(guān)導(dǎo)通，使得vp產(chǎn)生電壓翻轉(zhuǎn)。

圖3 自供能SECE電路和SSHI電路

利用此開關(guān)電路，可以實(shí)現(xiàn)自供能的SSHI電路(SP-SSHI)如圖3(b)和SECE電路(SP-SECE)如圖3(a)。其中SP-SSHI電路參考文獻(xiàn)[16]實(shí)現(xiàn)。SP-SECE電路在參考SP-SSHI的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)電阻R3。該電阻作為一個(gè)冷啟動電阻，為電路中的寄生電容提供放電通路。電路中的寄生電容Cpara中的電能如果無法得到釋放，就會使得vp電壓開始下降時(shí)，作為比較器的T1基極的電壓不下降，無法正常工作。為了減少這個(gè)過程中的損耗，R3會選一個(gè)非常大的電阻，以減少其帶來的損耗。

2 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)

2.1 概述

如圖4所示，一個(gè)振動能量功能的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)有六個(gè)部分組成:振動源，能量收集器，接口電路，能量存儲單元，DC-DC轉(zhuǎn)換器和能量使用單元。能量收集器負(fù)責(zé)將環(huán)境中的的振動能轉(zhuǎn)換成電能。其后的接口電路的基礎(chǔ)功能是將能量收集器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，將其存儲在能量存儲單元中。電容中的電壓是不斷變化的，因此還需要一個(gè)DCDC變換器來將起轉(zhuǎn)換成一個(gè)穩(wěn)定的電壓，才能為能量使用單元供電。能量使用單元在物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的任務(wù)執(zhí)行感知和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

圖4 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

之所以需要能量存儲單元，是因?yàn)榄h(huán)境中的能量比較微弱，因此能量收集器產(chǎn)生功率通常是不夠給能量使用單元進(jìn)行供電的，這時(shí)候就需要一個(gè)能量存儲單元來存儲能量，等到其中的能量足夠能量使用單元使用的時(shí)候就從能量存儲單元中釋放能量來滿足能量使用單元執(zhí)行操作的需求。

在動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，DC-DC變換器的設(shè)計(jì)中很重要的設(shè)計(jì)考慮是其冷啟動電壓Vstart和關(guān)閉電壓Vstop。其中關(guān)閉電壓指的是，如果儲能電容的電壓小于某個(gè)值，DC-DC變換器就會被關(guān)閉，使得電容中的電不會漏完，在下次啟動需要的能量更少。根據(jù)電容的能量公式，DC-DC變換器在開始工作的時(shí)候能夠提供的最大能量是

2.2 接口電路的選擇

接口電路對于動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也具有影響。理論上來說，SSHI相比于SEH，其收集功率可以提高到原來的900%[8]，SECE的收集功率相比 于SEH，在 弱 耦 合 的 情 況 下，可 以 為 其400%[1]。因此，SSHI對于SECE具有更大的最高功率。但是對于SSHI電路來說，它需要在負(fù)載的電壓達(dá)到一定值時(shí)，其收集功率才會比較高[16]。在電壓比較低的時(shí)候SSHI的收集功率很低。因此，理想情況下，在電壓較低的情況下SECE有更高的收集功率，當(dāng)電壓升高到一定程度以后SSHI有更高的收集功率。這表明了，隨著電壓的升高，SECE的功率和SSHI的功率會有一個(gè)交點(diǎn)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的Vstart，如果在到達(dá)Vstart的時(shí)候SECE收獲的能量更多，選擇SECE更好，否則選用SSHI更好。

目前市面上和研究中有很多的能量管理芯片，這些電壓閾值通常比較低，比如在振動能量收集研究中常用的凌力爾特推出的LTC3588-1。使用這些芯片的時(shí)候使用SECE能夠提高系統(tǒng)的效能。相反地，如果使用冷啟動電壓比較高的芯片，使用SSHI電路更合適。

2.3 動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中振動源是由激振器(KDJ50)來產(chǎn)生的。動能收集器的核心是壓電片。壓電片被固定在一個(gè)銅片上，構(gòu)成懸臂梁的結(jié)構(gòu)。固定激振器時(shí)帶動懸臂梁壓電片振動，產(chǎn)生電能。接口電路選用為SEH，SSHI或者SECE，其中SSHI(如圖3(b))和SECE(如圖3(c))采用的是自供能的方式，他們的器件型號列于表1。能量存儲單元為一個(gè)普通的電解電容。DC-DC變換器使用的是LTC3588-1內(nèi)建的變換器。通過配置外圍電路設(shè)置LTC3588-1中的DC-DC變換器的冷啟動電壓為5 V。另外，需要注意的是雖然LTC3588-1內(nèi)部帶有整流橋，但是當(dāng)接口電路為SECE時(shí)，該整流橋無法被利用。因此，為了使每個(gè)接口電路所使用的的元器件一致，此系統(tǒng)中不使用LTC3588-1中的整流橋，而使用外部的整流橋，其型號為M6Bs。

表1 接口電路使用的元器件型號

能量使用單元使用nRF52832片上系統(tǒng)搭建。其由Nordic公司開發(fā)，是一款應(yīng)用廣泛的片上系統(tǒng)，并且以低功耗著稱。同時(shí)，它集成了藍(lán)牙，非常適合用來制作物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)采用了模塊化的思想，將各種接口電路，DCDC變換器，能量使用單元等做成相同大小的模塊，如圖5(b)。每個(gè)模塊的大小為5 cm×5 cm。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)和討論

實(shí)驗(yàn)部分由兩個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成:電容充電實(shí)驗(yàn)以及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作情況的實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中采用了相同的振動條件，振動源有激振器產(chǎn)生。它產(chǎn)生加速度為9.02 m/s2頻率為12.5 Hz的正弦振動。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖5。

4.1 電容充電實(shí)驗(yàn)

在電容充電實(shí)驗(yàn)中，使用SEH、SSHI以及SECE分別為一個(gè)電容充電，由于同一個(gè)電容中存儲的電量與電壓的平方呈正比，因此使用電容的電壓可以反映電容的能量。采用激振器產(chǎn)生的振動為三種電路供電。因?yàn)長TC3588-1中的DC-DC變換器的冷啟動電壓是5 V，所以在實(shí)驗(yàn)中，選取電容電壓到達(dá)5 V的時(shí)間作為衡量電路的性能指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中選用了兩種電容，一個(gè)為10μF的電容，另一個(gè)為100 μF的電容。選用不同大小的電容是因?yàn)樵趯?shí)際的節(jié)點(diǎn)中，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳感器功耗等級是多種多樣的，因此也需要不同大小的儲能電容來滿足不同傳感器的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6(a)表示的是10μF電容的充電曲線，6(b)表示的是100μF電容的充電曲線。兩個(gè)結(jié)果都表明使用SECE作為接口電路，電容的電壓可以更快地達(dá)到5 V，也就是說使用LTC3588-1的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的啟動速度更加快。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也可以看到，隨著時(shí)間地上升SECE所對應(yīng)的曲線的電壓和SSHI的與SEH的會分別有交叉點(diǎn)。這是因?yàn)镾SHI和SEH的充電功率隨著電壓會先上升后下降，而理論上SECE的功率隨著電壓的變化不會有什么變化。再加上SSHI的最大充電功率是大于SECE的，因此這兩個(gè)電路的充電曲線會存在交叉點(diǎn)。由于器件的非理想性，使用SECE的功率可以能會小于使用SEH的功率，因此這兩個(gè)電路的充電曲線也存在交叉點(diǎn)。如圖所示，當(dāng)儲能電容為10μF時(shí)，SECE與SSHI所對應(yīng)的電容中的電壓同時(shí)達(dá)到6.605 V，與SEH所對應(yīng)的電容中的電壓同時(shí)達(dá)到9.995 V。當(dāng)儲能電容為100μF時(shí)，SECE與SEH所對應(yīng)的電容中的電壓同時(shí)達(dá)到6.077 V，與SEH所對應(yīng)的電容中的電壓同時(shí)達(dá)到8.561 V。在經(jīng)過這個(gè)交叉點(diǎn)以后，使用SSHI或者SEH時(shí)電容中存儲的能量已經(jīng)大于使用SECE的情況了。因此，如果DC-DC變換器的電壓啟動比較高的時(shí)候使用SSHI或者SEH，啟動時(shí)間會更加的短。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，由于LTC3588-1的啟動電壓為5 V。因此對于使用兩種電容的節(jié)點(diǎn)來說，都是使用SECE最佳。

圖6 儲能電容為10μF及100μF時(shí)分別使用SECE，SSHI和SEH的充電波形

4.2 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際工作情況下的差別，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有感知和無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能的動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。傳感的功能是通過nRF52832內(nèi)部的ADC實(shí)現(xiàn)的。需要注意的是，這里沒有具體的傳感器，但是因?yàn)樵S多的傳感器提供的是模擬的電壓信號，因此使用ADC可以實(shí)現(xiàn)傳感的功能。無線通信方面使用的是由Nordic開發(fā)的增強(qiáng)型ESB通信協(xié)議。在這個(gè)節(jié)點(diǎn)中，儲能單元為33μF的電容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

大多數(shù)情況下，片上系統(tǒng)處于睡眠模式功耗非常低，收集到的能量被存儲在電容中。初次啟動的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)會進(jìn)行初始化。然后，每隔一個(gè)300 ms的周期時(shí)間，片上系統(tǒng)會進(jìn)入工作狀態(tài)的時(shí)候，這時(shí)消耗的功率大于收集的功率，造成電容中能量的消耗，也就是電容電壓的下降，如圖7所示。圖中波形的藍(lán)色部分表示節(jié)點(diǎn)的初始化帶來的電壓下降，紅色部分代表節(jié)點(diǎn)感知和無線數(shù)據(jù)傳輸帶來的電壓下降。從結(jié)果可以看出，使用SECE的時(shí)候啟動時(shí)間最快，為2.552 s。使用SSHI時(shí)和使用SEH時(shí)的啟動時(shí)間分別為2.938 s和3.106 s。對比他們，SECE的啟動時(shí)間可以分別縮短13.1%以及17.8%。其中，從SEH的結(jié)果看來，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了一次重啟的情況。這是因?yàn)樵谥芷谛詧?zhí)行任務(wù)的過程中，300 ms內(nèi)存儲的能量小于一次感知與無線傳輸所消耗的能量。因此，在每個(gè)周期中電容的電壓不斷的下降，最后使得電壓小于LTC3588-1的關(guān)閉電壓，nRF52832停止工作。使用SSHI和SCE時(shí)沒有出現(xiàn)這種情況，它們具有更好的魯棒性。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出使用SECE可以有效地減少動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的啟動時(shí)間以及執(zhí)行工作的魯棒性。

圖7 動能供能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在SECE，SSHI和SEH下的儲能電容波形

5 結(jié)論

本研究提出了一種通過合理的接口電路選擇來優(yōu)化動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的方法。不同于傳統(tǒng)的方法中只關(guān)注接口電路的最大功率的原則，本文章還關(guān)注了接口電路在不同負(fù)載電壓值下的功率。結(jié)合動能供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的冷啟動電壓，提出了接口電路選擇的原則。最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們提出的設(shè)計(jì)原則的可行性與有效性。結(jié)果表明，利用這個(gè)設(shè)計(jì)原則，可以縮短節(jié)點(diǎn)的啟動時(shí)間和提高其魯棒性。