基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点

1.一种基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，主要由压电振动电源(1)、微控制器(4)、RF发送装置(3)和传感器(5)组成；压电振动电源(1)包括长期存储电容(10)、DC/DC转换器(9)、稳压管(8)、倍压器(7)和压电换能器(6)；压电换能器(6)包括两个电极(12)，两根导线(11)，两个压电片(14)，一个悬臂梁(15)，以及一个产生加速度的质量块(13)；振动的机械能通过压电换能器(6)转化为电能，经过整流、变压，储能，最终形成压电振动电源(1)以供节点工作；微控制器(4)有一个监控装置对RF发送装置(3)的工作进行控制，使其消耗的能量最小；微控制器(4)从传感器(5)中得到数据进行处理，将处理后数据和控制信息送到RF发送装置(3)发送出去；微控制器(4)和长期存储电容(10)控制对RF发送装置(3)的供电；压电振动电源(1)对微控制器(4)和RF发送装置(3)进行供电，压电振动电源的DC/DC转换器(9)通过控制其shutdown管脚，调节DC/DC转换器(9)的工作状态，使电源系统有最大的功率输出；
稳压管(8)起保护DC/DC转换器(9)的作用；RF发送装置(3)的工作方式也由微控制器(4)进行控制，使其处在低功耗的工作状态。
2.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是利用所述压电振动电源(1)得到电能，对节点进行供电。
3.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述电极(12)的材料为镍。
4.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述质量块(13)的材料为钨合金。
5.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述的压电片(14)为PZT5系列的压电陶瓷。
6.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述的悬臂梁(15)材料为弹性钢片。
7.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述的DC/DC转换器(9)采用LT1934-1。
8.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述的稳压管(8)采用1N4751型号的30V稳压管。
9.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点， 其特征是所述微控制器(4)在节点使用数字传感器时采用超低功耗MSP430F1121。
10.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述微控制器(4)在节点使用模拟传感器时采用超低功耗MSP430F149。
11.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述微控制器(4)的型号为MSP430F20XX、MSP430X1XX、MSP430F11X1、MSP430X4XX、ATMega128L或ATMega103L。
12.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是所述RF发送装置(3)的型号为nRF24L01、nRF2401、nRF24E1、CC1000、CC2420或TR1000。
13.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是采用系统级功耗优化技术。
14.根据权利要求1所述基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，其特征是采用信道复用技术。

基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点 \n1.技术领域\n[0001] 本发明涉及一种主要用于飞机、舰船、车辆、桥梁和工业设备等状态监控的基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点。 整个节点不需采用寿命有限的电池供电，从而可增强无线传感节点的免维护性。 \n2.背景技术\n[0002] 1)无线传感网络 \n[0003] 无线传感网络综合了传感、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等多种技术，能够协同完成各种被监测对象的分布式实时信息采集和处理，并将这些信息可靠地传送给用户。 随着计算的网络化以及无线通信、大规模集成电路和微型机电系统等技术的发展，无线传感网络正在成为一个新兴的技术领域，有望带来农业、消防、军事、医疗保健、建筑安全和工业设施等领域的重大进展。 无线传感网络将使计算分布在各个角落，可能会像互联网那样对社会产生巨大的影响。 \n[0004] 无线传感网络节点数量一般较大，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。 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，常常几个月到一年就需要更换电池，使得维护工作量较大。 此外，在高温潮湿环境下电池易发生漏电。 \n[0005] 随着无线传感网络的不断发展，无线传感节点将朝着微型化、低功耗、免维护性的方向发展。 但无线传感网络节点的供电技术进步的速度要小得多，无线传感网络节点的进一步发展受到了电源的限制。 无线传感节点的微型化、低功耗设计，关键是电源的微型高效。电源的设计要考虑能量密度的大小，以及电源持续供电所要求的环境。 因此，应用于无线传感网络的节点的电源的发展将进一步促进无线传感网络的发展，使之应用于更加广阔的空间。 \n[0006] 2)压电振动电源 \n[0007] 压电振动电源可使无线传感节点等低功耗电子设备依赖环境中的振动 能量工作，提高其免维护性。 其典型应用包括飞机、舰船、车辆、桥梁和工业设备等设施的无线状态监控以及以这类设施为载体的通用无线传感网络，在国防领域和民用领域都具有重要应用价值。 \n[0008] 压电振动电源是基于压电材料的压电效应来实现的，通过正压电效应，压电材料上所受的应力能够转化为电能，并通过储能器件将得到的电压进行采集整理，从而得到稳定的持续的电压。 压电式机械能一电能转换被认为是中观尺度上发展前景最好的自供电技术。 这种方式的功率密度较高，不存在接触表面的相对运动，因此不存在磨损，可靠性易保证。 \n[0009] 压电振动电源一般采用压电陶瓷作为振动换能材料，通过一定的工艺加工及合理的电路设计，能够产生足以供传感网络节点工作的电压，并且寿命长，体积小，在以后的应用中有广阔的发展前途。 \n[0010] 3)无线传感网络节点的供电方式 \n[0011] 无线传感器网络节点的供电问题可以采用以下两种途径来解决：一是采用核电池等长寿命电源；二是利用可再生的环境能源，主要包括微波、光照、振动、热和气流等产生的能量。 第二种途径可以提供安全、低成本和理论上无寿命限制的自供电技术，近年来引起了研究人员的广泛关注。 \n[0012] 微波感应产生的电能与空间的电场强度的平方成正比，由于受传感节点所占空间的限制，这种方式的效率不高。 太阳能电池属于比较成熟的技术，但是阴暗环境下太阳光较弱，能量密度难以满足一般应用的要求，灰尘的清洗也会增加维护工作量。 热电转换效率受温差的影响很大，由于在较小的体积上很难达到很大的温差，因此电能密度离实用相差较大。气流发电方式需要较大的气流，适用场合非常有限。 振动源在环境中是广泛存在的，但是绝大部分都未得到利用。 \n[0013] 随着微电子和微机械技术的进步，电源在传感节点中所占的体积百分比越来越大，因此电源的微型化是一种重要的发展趋势。 振动式微型发电机其工作原理大致有以下几种：电磁式，静电式和压电式。 该三种适用于不同的工作条件，可以根据无线传感节点应用的不同领域选择以上三种方式的一种或组合使用。 振动发电技术适用于存在机械振动的场合，其能量密度已经接近实用，是一种很有前途的供电方式。 [0014] 4)相关专利 \n[0015] 在相关领域，日本USC株式会社申请了专利“压电发电装置”(申请 号为\n00817051.7)，该专利采用两个板形的压电陶瓷元件组成压点陶瓷板，借助硬拍打器拍打压电陶瓷板，激励压电陶瓷板挠曲振动产生电能。 德国费斯托(FESTO)公司申请了专利“压电弯曲变换器及其使用”(申请号为01809545.3)，该专利涉及一种压电弯曲变换器，其具有一个细长的支撑体，支撑体在至少一个纵向侧面上具备一个压电多层体，该压电多层体具有许多压电材料层和置于压电材料层中间的电极，并依赖于电子系统来操作压电弯曲换能器。 这两项专利均利用压电材料的正压电效应，将周围环境的能量转化为电能供系统工作，但其产生的电能比较微弱，并且体积较大，而且输出电压的没有经过变压，不能满足无线传感节点工作电压的要求，不适合应用于无线传感节点的供电。 \n3.发明内容\n[0016] 本发明的目的是提供一种用于飞机、舰船、车辆、桥梁和工业设备等状态监控的基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点。 \n[0017] 本发明中采用PZT压电材料结合整流和DC/DC技术实现从机械振动中收集电能，为传感器和无线发射装置提供电能。 采用低功耗嵌入式软硬件设计技术、超低功耗短时突发式无线发射技术以及预测和数据压缩技术，使节点功耗最小化。 整个节点不需采用寿命有限的电池供电，从而减小了传感节点的维护工作量。 \n[0018] 本发明中无线传感网络节点由将机械能转换为电能的压电振动电源(1)、超低功耗微控制器(4)、超低功耗发送装置(3)和传感器(5)等部分组成。 其中压电振动电源(1)由振动质量块(13)、压电片(14)、悬臂梁(15)、电极层(12)、电量收集装置、DC/DC转换器(9)等部分组成。 \n[0019] 本发明中压电换能器采用悬臂梁结构，该结构的优点主要有：1)一阶谐振频率较低；2)压电片受到的交变应力较大。为了提高平均应力，压电换能器制作成变截面的形状。压电换能器由两个压电片(14)串联或并联组成，压电片串联组成的换能器与单个压电片组成的换能器的相比，输出电压增大一倍，电流不变；压电片并联组成的换能器与单个压电片组成的换能器的相比，输出电压不变，电流是原来的两倍。 可根据环境中振动源能量的强弱，选择联接方式，使压电换能器的输出电压与DC/DC转换器(9)的输入电压相匹配。其中压电片的材料采用PZT5系列的压电陶瓷，夹在压电层中间是一个弹簧钢片悬臂梁(15)，两个压电片外层均镀了一层电极层，从电极层引出两根导线通到整流电路。 整流电路采用倍压器(7)的形式，兼有升压的功能，整流后的直流电通到DC/DC转换器(9)中，主要是为了得到供节点正常工作的电压。 通过DC/DC(14)转换器转化后的电量通过一个电容储存，然后为控制器(4)和RF收发装置(3)供电。 [0020] 本发明中系统的信息处理和控制单元是超低功耗微控制器MSP430系列微控制器(4)。 可以根据传感节点的具体应用采用具体的MSP430微控制器。 模拟传感器需要采用内置A/D转换功能的MSP430微控制器，数字传感器则可采用不带A/D转换功能的MSP430微控制器。 微控制器接收来自传感器的数字信号并经过处理后传送给超低功耗RF收发装置(3)，RF收发装置(3)电源的接通和断开同时受到微控制器(4)和长期存储电容(10)电压的控制，当微控制器处理完检测装置传送过来的信息后，要将信号发送出去，此时控制器开通RF发射装置(4)的供电装置，同时长期存储电容(10)电压要满足RF收发装置(10)的供电电压，只有二者均满足接通条件时才能正常工作。 [0021] 在本发明中，所述用于振动发电的压电陶瓷换能器的电极(12)的材料为镍。 [0022] 在本发明中，所述用于振动发电的压电陶瓷换能器的质量块(13)的材料为钨合金。 \n[0023] 在本发明中，所述用于振动发电的压电陶瓷换能器的压电片(14)材料为PZT5系列的压电陶瓷。 \n[0024] 在本发明中，所述用于振动发电的压电陶瓷换能器的悬臂梁(15)材料为弹簧钢片。 \n[0025] 在本发明中，所述的DC/DC转换器(9)型号采用LT1934-1，该转换器可以在低电流的状态下进行工作，能够稳定换能器的输出电压，具有低功耗的特点，其输入电压在3伏到30伏之间，输出电压在3.3伏左右。 \n[0026] 在本发明中，所述用于振动发电的压电陶瓷换能器的电量采集电路中的稳压管(8)采用1N4751型号。 该型号的稳压管具有30V的稳压效果，当工作电 压远低于30V时该稳压管不起作用，在30多伏的时候才产生作用。 该稳压管作用是对DC/DC转换器进行保护，防止其因输入电压过高而损坏。 \n[0027] 在本发明中，所述控制器(4)采用MSP430系列控制器，该微控制器具有低功耗的特点，能够适应在压电电源产生的微弱电功率条件下工作，当该节点采用数字传感装置时，控制器采用MSP430F1121等设计方案；当该节点采用模拟传感装置时，控制器采用内带A/D转换器的MSP430F149等设计方案。 能够实现相同功能的适用控制器(4)的型号为MSP430F20XX、MSP430X1XX、MSP430F11X1、MSP430X4XX、ATMega128L或ATMega103L。 \n[0028] 在本发明中，所述的RF收发装置(3)为nRF24L01，该射频装置功耗低，发送速率快一般为1～2Mbps，适合在低功耗的状态下进行工作。能够实现相同功能的RF射频装置(3)的型号为nRF2401、nRF24E1、CC1000、CC2420或TR1000。 [0029] 本发明中，无线传感节点采用系统级功耗优化技术。 在无线传感节点中，发射所消耗的能量往往比处理要高，因此通过增大计算量来减小通信量，以实现系统总能量消耗最小。 发射端和接收端同步采用历史数据回归分析对时间序列进行预测，仅当预测误差超过容限时发射端才发送实测数据，若预测误差未超过容限，接收端可以采用预测数据作为实测数据的预测值。 对于那些接收者关心的只是其特征量信号，在计算、存储和通信能量之间找寻找一个平衡点，使系统总的能量最小化后再发送出去。 [0030] 本发明中，无线传感节点采用信道复用技术中的系统级功耗优化技术时分复用方式。 为了降低传感节点的功耗，传感节点接收装置不能一直处于监听状态，采用定时唤醒的方式进行监听。 \n[0031] 本发明中设计一种基于突发通信和随机定时的大规模节点自组织时分信道复用技术，其核心思想就是利用突发通信方式尽可能缩短每个节点的发送时间，大大降低信道的平均占用率，同时每个节点采用相互独立的随机定时来决定何时发送数据，将冲突概率降到可以忽略的水平。 采用特定于各个节点的随机量(例如内存中数据区中某个单元的内容，某个时刻的输入量大小等)作为伪随机数的种子。 传感器节点工作于\n2.4GHz-2.4835GHz的ISM频段。 \n[0032] 本发明中由于采用随机时分复用的方式，可以采用准同步跳频的方式来解 决外界干扰可能导致所有的通信全部中断这一问题。 基站若在一段时间内未收到任何来自传感节点的信息，则自动跳频至频率表中的下一个频率，等待同样长一段时间，若还是未收到则继续跳至频率表中的下一个频率。 频率表中的频率共有8个，均匀分布在\n2.4GHz-2.524GHz的ISM频段。 每个传感节点定时打开接收装置，并向基站发送链路检查消息，基站收到此消息后马上回复一条确认消息，若传感节点收到此确认消息，知道通信链路正常，马上关闭接收装置，否则重发两次后跳到频率表的下一个频率重复链路检查过程。 跳频结束后，所有的传感节点仍然工作于同一频率。 \n[0033] 本发明将低功耗电路设计方法、高效的电源管理方法与振动机械能到电能的转化方法相结合，设计了一种可以依赖环境能量工作的无线传感节点，，可提高其免维护性。 整个节点采用低功耗设计的思想，使其系统工作的耗能降到最低；采用低功耗的MSP430MCU，工作在低功耗模式下，可以定时唤醒，检测电压，可以进行最大功率跟踪；采用基于短时突发通信和随机定时的无线传感节点自组织时分信道复用技术。 该发明以低功耗设计为主要创新点，以节点的环境自适应为主要目标，具有应用范围广，免维护等优点。 该自供电微型无线传感网络节点的使用，将大大拓展了无线传感网络的使用范围。 \n[0034] 4.附图说明\n[0035] 图1是无线传感节点的原理图。 \n[0036] 图2是无线传感节点的能量转化及传递路线。 \n[0037] 图3为压电振动换能器的侧视图。 \n[0038] 图4为压电振动换能器的俯视图。 \n[0039] 图5是控制器及外围电路的的电路原理图。 \n[0040] 图6是压电振动电源的电路原理图。 \n[0041] 图7是RF发送装置的电路原理图。 \n[0042] 图8是基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点的电路原理图。 [0043] 图中：1是压电振动电源，2是天线，3是RF收发装置，4为微控制器，5为传感器，6为压电换能器，7为倍压器，8为稳压管，9为DC/DC转换器，10为长期存储电容，11为导线，12为电极，13为质量块，14为压电片，15为悬臂梁。 [0044] 5.具体实施方式\n[0045] 基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点的具体实施方式如图1-图8所示。如图3所示，该实施方式中的压电换能器(6)包括电极(12)，导线(11)，压电片(14)，悬臂梁(15)，以及一个产生惯性力的质量块(13)；压电换能器6的工作方式是通过质量块(13)振动产生惯性力，在梁的横向产生交变应力，利用压电片(14)的正压电效应，产生电能，通过导线(11)将电能导出。该节点依靠压电换能器压电振动电源(1)对节点进行供电，其具体工作实现方式为：压电振动电源(1)将环境中的机械能转化成可供无线传感节点工作的电能，主要是振动的机械能通过压电换能器(6)转化为电能，其中倍压器(7)作用是将交流电转化为直流电，并有升压作用。 转换后的直流电通过DC/DC换能器(9)的Vin端口，shutdown引脚用大电阻分压后连接，由此可以进行功率跟踪，最终将电能存储在长期存储电容(10)中，转化成适合节点工作的理想电压。 倍压器(7)后接一个稳压管，该稳压管的稳定电压为30V，起保护DC/DC转化器(9)的作用。该稳压管在电压远低于30V时不起作用，只在30左右才产生作用。压电振动电源(1)对微控制器(4)和RF发送装置(3)进行供电，微控制器(4)可对节点的工作进行控制，其重要工作是接收传感器(5)检测到的数据并进行处理，经过处理后，将数据和控制信息送到RF发送装置(3)中并通过天线(2)发送出去。 传感器(5)(电路原理图中未画出)可根据实际应用采用不同的类型，例如：温度传感器、湿度传感器，压力传感器、速度传感器等。 微控制器(4)有一个监控装置对RF发送装置(3)的工作进行控制，通过调整RF发送装置(3)的的工作状态，可以使RF发送装置(3)的功耗降到最低。本节点采用低功耗的设计思路，采用PZT压电材料结合整流和DC/DC技术实现从机械振动中收集电能，为传感器和无线发射装置提供电能。 采用低功耗嵌入式软硬件设计技术、超低功耗短时突发式无线发射技术、系统级功耗优化技术以及预测和数据压缩技术，使节点功耗最小化。 整个节点不需采用寿命有限的电池供电，从而减小了传感节点的维护工作量。