适用于无线传感器网络的应变能收集系统研究

顾雪晨



适用于无线传感器网络的应变能收集系统研究

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

为了使嵌入式无线传感器不再依赖电池供电，开发一个新型的利用应变能传感器系统。首先用单向排列的压电纤维与一块复合材料样品叠压。再将一个箔式应变计与压电纤维粘和并校准其分流值。该样品用一个电动装置驱动，频率分别为60 Hz、120 Hz和180 Hz，其在3处承受周期性弯曲负载（75到300 με峰值）。验证应变能收集系统的可行性。

应变 能量 压电 传感器 射频 微机电系统

0 引言

这项工作旨在开发一个新型的传感器系统，该系统无需电池即可无线发送数据。取而代之的是，它可以依靠从其周围环境收集振动或应变能来获得电力以维持工作。这将会使对设备和建筑物等的监测工作不再受限于电池的寿命。智能建筑和设备等将能持续自动发送数据[1]。

为了实现利用应变能的传感器方案，系统所有的部件（传感器、调节器、处理器、数据存储器和数据传输器）消耗的功率必须和应变能的可用功率相匹配。因此，尽量减少系统功率消耗和提高应变能收集效率是同等重要的。

许多技术可以用于减小传感器能耗。例如超微型差动可变磁阻转换器（DVRT’s）可以完全被动地（即无功耗）测量应变力且最大分辨率可达25 με[2]。

图 1 MicroStrain的数据记录收发节点

无线网络所需功耗同样也要求最小化。有一个建造低功耗无线传感器网络的方案是由MicroStrain的数据记录收发网络实现的（图1）。该系统运用了具有数据记录能力的可寻址传感器节点和双向射频收发通信连接[3]。由中央主机决定采样触发和高速访问每个节点或所有节点。数据在节点内就可以得到处理（例如频率分析）然后当从中央主机进行查询时上传。通过对每一个传感器节点配置一个16位的地址，可以让多达65000个多通道节点仅由一台电脑控制。由于每个节点只在当有明确的请求时才传输数据，所以功耗使用可以由中央主机进行很好的管理。

图 2 能量收集，传感，数据转换，处理及无线通信系统的功能原理图

我们的远期目标是将应变能收集系统与低功耗传感器及低功耗网络相结合，来建造一个易于部署且可长期无人值守运行的无线传感器网络[4]（图2）。对于该网络中的无线传感器节点设计标准如下：1）能部署超过1000个传感器节点，一个射频传输频率连接一个接收器；2）较小的尺寸，易于安放；3）低成本；4）兼容绝大部分传感器；5）能自动传输互联网数据；6）低功耗；7）较远的传输范围。

1 方法

将单向压电元件排成一行，把直径250 μm的PZT纤维嵌入经树脂处理过的基质内。其厚度约为0.38 mm，长宽约为130×13 mm。再把该元件粘合到一个复合材料制成的横梁测试样品表面（图4）。为了记录作用的应变力，需要将一个箔式应变计粘贴到压电元件顶部中央并校准其分流值。

该样品用一个工作在60、120和180 Hz的电动驱动器驱动使其在3处承受周期性弯曲负载。固定负载点之间间隔300 mm。由于设计成3点受力弯曲，这就让PZT元件处于非均匀的应变力场当中：元件中间的应变力最大，向两端线性减小。PZT元件有效区域末端的应变力仅为中间峰值的42%。

图3 应变能收集系统示意图

图4 横梁表面粘合PZT纤维元件后在3点受力弯曲的照片

PZT元件在周期性弯曲时将有效应变能转化为电能输出。该输出连接到一个由整流器输出与47 μF储能电容器相连组成的能量收集及储存元件上（图5）。在理想系统的运行中，一个很关键的理念是只有当电容器中储存有足够的能量时才能为负载供电。为了体现这个理念，我们使用电池管理电路来达到这个目标。用“纳安”级超低功耗比较器LTC1540作为电压感应开关对此系统进行功耗管理。

当储能电容器在充电时，电压感应开关一般处于断开状态。当电容器电压达到预先设定的阈值时，开关闭合，储存的能量供给负载。这个技术可以确保当压电转换器在收集和储存电能时系统其它部分不会耗能。

图 5 能量收集电路为StrainLink无线传感器节点供电示意图

当储能电容器的电压达到9.5 V的开启阈值，开关闭合，电能被用来为StrainLink无线传感器节点供电。StrainLink节点包含带可编程增益及过滤的16位A/D转换器，5个单独连接的或3个有差别的传感器输入，带16位地址的微控制器，板载EEPROM以及418 MHz的频移键控式射频传输器。对应的射频接收器包含EEPROM，XML输出及以太网连接。从网络节点接收的数据根据其不同的地址来进行解析，这样可以仅用一个接收基站就可以使用众多的传输器。

一旦有足够的电压供给StrainLink节点，其板载调节器向复位控制器发送一个高电平信号，这又转而对PIC16C微控制器进行上电。微控制器对其传感器通道上电，从板载模数转换器AD7714读取信号，再将这些传感器数据和/或紧急状态与唯一的16位识别（ID）码一起传送到接收器。传输器一直保持上电直到储能电容器的电压下降到2.5 V，此时开关再次断开，停止对StrainLink节点的供电。

在压电元件承受连续地周期性应变力的情况下，电压感应开关的动作可以定时为StrainLink节点提供传输传感器数据所需的足够电量。传输之间的间隔时间（即储能电容器充电时电压从2.5到9.5 V所需的时间）是这项工作当中主要的测量结果。这和系统收集能量的转化率在本质上是相同的。

2 结果

传输之间的间隔时间如图6中所示显示为频率和最大有效应变力作用的结果。对于150 με中等级别的应变力，传输所需时间在30 s到160 s（测试从180 Hz到60 Hz）。这意味着在这样的设置下一个传感器节点向一些中央主机报告其传感数据的间隔时间可以短至30 s。使用较高级别的应变力可以缩短此时间至15 s。显然使用更高级别的应变力将会进一步缩短此时间。

一旦储能电容器被充电，它大约可以持续250 ms为StrainLink节点提供足够的电量。这足够从几个传感器采集有效数据并且将其再传输4到7次。

图6 为应变能收集模型充电的实验测量时间（传输之间的间隔时间）。“充满电”定义为在有足够能量为StrainLink节点供电使其传输有效数据的时候

当振动频率在180 Hz时，该系统可以利用75到300 με的有效应变力为储能电容反复充电。当驱动频率降低时，系统成功运行所需的最小有效应变力增加了（120 Hz时为100 με，60 Hz时为150 με）。这意味着即使当开关处于断开状态也存在一些能量泄露。导致这个后果的主要原因在于电容器的漏电流。除非能量收集速度比泄露速度快，否则储能电容器的充电量不会增长。

数据指标同样可以用PZT元件结合能量收集电路的电力收集能力来表示（图7）。从图表中的数据可以看出能量储存速率（即输出功率）几乎与有效应变力成比例。此外，不同轨迹之间的相同间距表明输出功率几乎与有效频率成比例。这些发现都是在预期内的。

图7 PZT元件结合能量收集电路的输出功率

3 展望

这项工作验证了一个优越的无线传感器节点的可行性，其所需电力仅来自于周围环境中的周期性应变力（振动）。所利用的应变力级别（75至300 με）在工业环境范围内很常见。此外，所需的PZT元件的规格（小于17 cm2）适合大多数应用。

储能电容器的大小可以调节以向负载提供不同级别的功率。例如，如果某个特定的传感器需要充裕的启动时间，这时用一个较大的电容器可以使电力间隔足够长的时间再使用。交换就是充电时间会相应的更长。作为选择，可能利用一节可充电电池替代电容器。

该应变能收集方式能与智能的自主式自供电无线传感器网络一起部署，能用来监测航空航天，汽车，民用以及医疗应用领域的周期性应变结构[5]。我们可以对这些系统进行展望，例如，可以应用于如飞机，直升机，振动机以及新一代智能轮胎等依赖于维护和健康监测的场合。

[1] 崔然, 马旭东, 彭昌海. 基于无线传感器技术的楼宇环境监测系统设计[J]. 现代电子技术, 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] 任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络[J]. 软件学报, 2003, 14(7): 1282-1291.

[5] 王殊等. 无线传感器网络的理论和应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 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

顾雪晨 (1981-)，男。研究方向：电气工程。