寬帶低頻振動(dòng)能采集器驅(qū)動(dòng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)

賀學(xué)鋒，李思宇，張 闖，齊 睿

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寬帶低頻振動(dòng)能采集器驅(qū)動(dòng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)

賀學(xué)鋒1,2，李思宇1,2，張 闖1，齊 睿1

(1. 重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 沙坪壩區(qū) 400044；2. 重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心 重慶 沙坪壩區(qū) 400044)

提出一種自供能的無線溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，其主要由振動(dòng)能采集器、電源管理電路、微控制器、溫濕度傳感器和無線收發(fā)模塊構(gòu)成，無線傳感節(jié)點(diǎn)由一個(gè)帶滾珠的低頻寬帶振動(dòng)能采集器供電。當(dāng)加速度的幅值頻率分別為9.8 m/s2和18.4 Hz，負(fù)載為140 kΩ時(shí)，采集器一根壓電梁的輸出功率為0.51 mW，半功率帶寬為17.8%或3.8 Hz。電源管理電路包括LTC3588-1芯片、LT3009芯片和一個(gè)2 200 μF的電容，微控制器采用低功耗MSP430F149單片機(jī)，無線收發(fā)模塊采用nRF24L01。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時(shí)，該節(jié)點(diǎn)均可正常測(cè)量并發(fā)送環(huán)境的溫濕度信息，只是時(shí)間間隔由848 s縮短為60.2 s。采集器的寬帶低頻特征使該無線傳感節(jié)點(diǎn)可應(yīng)用于多種環(huán)境。

寬頻帶; 能量采集器; 低頻; 振動(dòng); 無線傳感節(jié)點(diǎn)

與傳統(tǒng)電池相比，將環(huán)境中廣泛存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的微型能量采集器具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)以及無需更換等特點(diǎn)，是無線傳感節(jié)點(diǎn)的一種理想電源[1-2]。近年來基于壓電效應(yīng)[3-5]、電磁感應(yīng)[6-7]和靜電效應(yīng)[8-9]的振動(dòng)能采集器已成為國內(nèi)外微能源研究的熱點(diǎn)。對(duì)基于諧振機(jī)理的振動(dòng)能采集器而言，若其固有頻率偏離環(huán)境振動(dòng)頻率，輸出功率將急劇降低[10-12]。自然環(huán)境中的振動(dòng)能(如樹枝擺動(dòng)、橋梁振動(dòng)等)大多具有寬帶、低頻特征，因此，研究寬帶、低頻的振動(dòng)能采集器具有重要意義。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種利用碰撞擴(kuò)大帶寬的低頻電磁式振動(dòng)能采集器，當(dāng)激勵(lì)加速度幅值為1 g，頻率在10～60 Hz之間變化時(shí)，采集器的輸出功率均大于10 μW，在30 Hz時(shí)輸出功率最大，約為60 μW。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種低頻振動(dòng)能采集器，當(dāng)環(huán)境振動(dòng)頻率為30 Hz，加速度幅值為30 m/s2時(shí)，采集器最大輸出功率為131 μW[14]。文獻(xiàn)[15]提出了一種寬帶低頻振動(dòng)能采集器，利用碰撞將環(huán)境中的低頻振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為懸臂梁的高頻振動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了利用高頻結(jié)構(gòu)采集環(huán)境低頻振動(dòng)能的目的，在幅值為15 m/s2，頻率為37 Hz的加速度激勵(lì)下的最大輸出功率為602 μW[15]。

溫濕度監(jiān)測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，針對(duì)以上需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自供能的無線溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，該傳感節(jié)點(diǎn)由一個(gè)寬帶低頻振動(dòng)能采集器供電。在分析采集器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其輸出性能影響的基礎(chǔ)上確定了采集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)采集器電學(xué)輸出的特點(diǎn)和溫濕度傳感器對(duì)電源的要求設(shè)計(jì)了電源管理電路及一個(gè)自供能的無線溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)分析了該無線傳感節(jié)點(diǎn)的性能。

1 振動(dòng)能采集器的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化

圖1為采集器的原理圖[15]。采集器由兩根壓電懸臂梁、支座、滾珠構(gòu)成，其中滾珠位于支座的滑道中。壓電梁安裝于支座兩側(cè)，一端固定于支座上，另一端自由。圓柱形滑道橫向貫穿支座，正對(duì)懸臂梁自由端，位于圓柱形滑道中的滾珠能沿滑道軸向自由滾動(dòng)在平行于滑道的低頻振動(dòng)作用下，滾珠在滑道內(nèi)滾動(dòng)，在滑道出口處于壓電懸臂梁發(fā)生碰撞，碰撞后該壓電懸臂梁將發(fā)生振動(dòng)，而滾珠返回滑道并向另一側(cè)的懸臂梁方向滾動(dòng)。壓電懸臂梁的振動(dòng)將導(dǎo)致其壓電層應(yīng)力交替變化，由于壓電效應(yīng)，在壓電層的上、下表面電極之間將產(chǎn)生一個(gè)交變電勢(shì)差，利用該電勢(shì)差可以為無線傳感節(jié)點(diǎn)等供電。

圖1 振動(dòng)能采集器原理圖

圖2 振動(dòng)能采集器原理樣機(jī)

為了對(duì)采集器的性能進(jìn)行分析，制作了原理樣機(jī)，其中一個(gè)樣機(jī)如圖2所示。采集器的壓電梁采用Pizeo Systems Inc公司的T215-A4-203X壓電片。該壓電片有3層結(jié)構(gòu)，上、下層均為PZT壓電膜，中間層為銅，兩個(gè)壓電層串聯(lián)輸出。懸臂梁長(zhǎng)31.8 mm，寬6.4 mm，厚0.38 mm，每個(gè)壓電層的厚度為0.139 mm，銅片厚度為0.102 mm。為了分析滑道長(zhǎng)度對(duì)采集器電學(xué)性能的影響，制作了4個(gè)支座，制作的長(zhǎng)度為32 mm，高度為18 mm，寬度分別為9、11、13和15 mm (該寬度即為滑道長(zhǎng)度)。采用直徑為6和8 mm的滾珠研究了滾珠大小對(duì)采集器電學(xué)性能的影響。為了確保滾珠不會(huì)從滑道中掉落，同時(shí)使懸臂梁在振動(dòng)過程中不會(huì)與支座發(fā)生碰撞，將懸臂梁自由端與滑道出口的間距設(shè)置為1 mm左右。

在圖3所示的測(cè)試平臺(tái)上對(duì)采集器的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)由示波器、功率放大器、加速度計(jì)、振動(dòng)臺(tái)和振動(dòng)能采集器構(gòu)成。加速度計(jì)安裝于振動(dòng)臺(tái)上，用于監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)的加速度，采集器的滑道位于水平方向并與振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方向平行，從示波器自帶的信號(hào)發(fā)生器輸出的簡(jiǎn)諧電壓信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，進(jìn)一步作用于采集器上。振動(dòng)臺(tái)的加速度和采集器的電學(xué)輸出可以直接顯示在示波器上。

圖3 測(cè)試平臺(tái)

首先在滑道內(nèi)不放滾珠，對(duì)采集器壓電懸臂梁自身的特性進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)保持加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增大到300 Hz時(shí)，測(cè)得一根懸臂梁的開路電壓和對(duì)70 k?負(fù)載的輸出功率如圖4所示。當(dāng)激勵(lì)頻率為244.5 Hz時(shí)，開路電壓有效值最大，為4.61 V，這表明采集器的開路頻率約為244.5 Hz。當(dāng)接70 k?電阻負(fù)載，激勵(lì)頻率為242 Hz時(shí)，采集器的輸出功率最大，約為34.5 μW，半功率帶寬為6.6%。當(dāng)加速度振動(dòng)頻率偏離采集器固有頻率時(shí)，輸出功率急劇下降，當(dāng)振動(dòng)頻率降低為50 Hz，采集器對(duì)70 k?電阻負(fù)載的輸出功率僅為43.6 nW。

圖4 加速度1 g時(shí)開路電壓和功率隨頻率的變化

振動(dòng)加速度幅值為1 g，滾珠直徑為8 mm，電學(xué)負(fù)載電阻為140 kW，加速度頻率從5 Hz增大到35 Hz時(shí)，單個(gè)懸臂梁的輸出功率與滑道長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖5所示。采集器的滑道長(zhǎng)度分別為9、11、13和15 mm，相應(yīng)加速度頻率為34、23.2、20和18.4 Hz時(shí)，輸出功率最大，分別為0.22、0.37、0.41和0.51 mW；半功率帶寬分別為20.6%、17.8%、22%和20.7%，即分別為7.0、4.1、4.4和3.8 Hz。由以上實(shí)驗(yàn)可知，隨著滑道長(zhǎng)度的增加，采集器產(chǎn)生最大功率輸出所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率有所降低。

圖5 滑道長(zhǎng)度不同時(shí)輸出功率隨頻率的變化

振動(dòng)加速度幅值為1 g，滑道長(zhǎng)度為15 mm，負(fù)載電阻為140 kW，加速度頻率由5 Hz增加到30 Hz時(shí)，單個(gè)懸臂梁的輸出功率和滾珠直徑之間的關(guān)系如圖6所示。滾珠直徑分別為6和8 mm，相應(yīng)的加速度頻率為14.6和18.4 Hz時(shí)，采集器輸出功率最大，分別為0.15和0.51 mW，半功率帶寬為20.5%和20.7%。由此可見，隨著滾珠直徑的增大，滾珠的質(zhì)量增大，從而可以將更多的環(huán)境振動(dòng)能通過碰撞轉(zhuǎn)換懸臂梁的振動(dòng)能和電能。

圖6 滾珠直徑不同時(shí)輸出功率頻率的變化

滑道長(zhǎng)度為15 mm，滾珠直徑為8 mm，負(fù)載電阻為140 kW，加速度頻率從5 Hz增大到30 Hz時(shí)，單個(gè)懸臂梁的輸出功率和振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加速度幅值之間關(guān)系如圖7所示。加速度幅值分別為0.3、0.5和1 g，相應(yīng)的頻率為7.2、11.8和18.4 Hz時(shí)，輸出功率最大，分別為0.02，0.10和0.51 mW，半功率帶寬為47.2%、25.4%和20.7%。由此表明，隨著激勵(lì)幅度的增加，采集器輸出功率顯著提高，最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率也有所增加。

圖7 加速度幅值不同時(shí)輸出功率隨頻率的變化

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滑道長(zhǎng)度為15 mm、滾珠直徑為8 mm的采集器具有較大輸出功率，故后面采用該采集器為無線傳感節(jié)點(diǎn)供電。

2 自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)

2.1 硬件部分

自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)由振動(dòng)能采集器、單片機(jī)、溫濕度傳感器、無線發(fā)送模塊和電源管理電路構(gòu)成。圖8所示為自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)框圖，環(huán)境中有振動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)能采集器的輸出為交流電，功率較小(約幾百微瓦)，不能直接為無線傳感節(jié)點(diǎn)供電，必須通過電源管理電路將微弱的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)為適合無線傳感節(jié)點(diǎn)供電的直流電信號(hào)。經(jīng)過電源管理電路處理后的3.3 V脈動(dòng)直流電壓為單片機(jī)、溫濕度傳感器和無線發(fā)送模塊供電。溫濕度傳感器測(cè)量環(huán)境中的溫度和濕度并傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線發(fā)送模塊發(fā)送給接收端。硬件電路原理圖如圖9所示。

圖8 自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)原理框圖

圖9 自供能無線傳感電路硬件電路圖

采用Linear公司的LTC3588-1芯片和LT3009穩(wěn)壓器構(gòu)成電源管理電路。LT3588-1是專用于能量采集的超低靜態(tài)電流電源。LTC3588-1集成了一個(gè)低損耗、全波橋式整流器，一個(gè)高效率降壓型轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)負(fù)責(zé)接通和關(guān)斷降壓型轉(zhuǎn)換器的低偏置UVLO檢測(cè)器。將LTC3588-1直接與采集器連接，并將電能存儲(chǔ)在2 200mF的鋁電解電容中。穩(wěn)壓器具有非常低的壓降、快速瞬態(tài)響應(yīng)、優(yōu)異的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。單片機(jī)采用美國德州儀器(TI)公司的一款16位超低功耗微控制器MSP430F149。1.8～3.6 V，采用三套獨(dú)立的時(shí)鐘源，可通過選擇5種工作模式來使其功耗降低。Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片在測(cè)量溫濕度時(shí)電流為550 μA，休眠期間電流僅0.3 μA，供電電壓為2.4～5.5 V?？紤]無線傳輸模塊的功耗、靈敏度、誤幀率以及傳輸距離等，選用Nordic公司的2.4 GHz無線收發(fā)芯片nRF24L01作為無線發(fā)射模塊。該芯片電流較低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流為9 mA，掉電模式下電流僅為900 nA，工作電壓為1.9～3.6 V。

2.2 軟件部分

為降低單片機(jī)功耗，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖10所示。首先將MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化，如系統(tǒng)時(shí)鐘、比較器A、Timer A0、端口SPI和nRF24L01的地址總線等。然后單片機(jī)進(jìn)入超低功耗LPM3模式，等待上電復(fù)位信號(hào)。當(dāng)電源管理電路提供電壓達(dá)到3.3 V時(shí)，喚醒單片機(jī)，進(jìn)入工作模式，讀取傳感器上測(cè)得的數(shù)據(jù)，讀取成功則將數(shù)據(jù)傳送給發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送，然后數(shù)據(jù)清零并再次進(jìn)入LPM3模式等待下一次上電復(fù)位信號(hào)；若讀取數(shù)據(jù)失敗，則直接進(jìn)入LPM3模式，等待下一次上電復(fù)位信號(hào)。該方案使MSP430F149長(zhǎng)期處于超低功耗LPM3模式，減少功率消耗。

圖10 無線傳感節(jié)點(diǎn)中單片機(jī)程序流程圖

3 實(shí) 驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)自供能溫濕度無線發(fā)送，制作了圖11所示的自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)。將采集器安裝在振動(dòng)臺(tái)上，通過導(dǎo)線引出壓電層所產(chǎn)生的電荷，輸入到電源管理電路中，并將電源管理電路輸出的電壓提供給無線傳感電路供電。

圖11 低頻寬帶振動(dòng)能采集器驅(qū)動(dòng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)

當(dāng)振動(dòng)臺(tái)輸出的加速度激勵(lì)的幅值為1 g，頻率為18 Hz時(shí)，測(cè)得的電源管理電路中2 200 μF儲(chǔ)能電容的電壓和電源管理電路的輸出電壓隨時(shí)間的變化如圖12所示。上、下兩條曲線分別為輸出電壓和電容電壓，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓達(dá)到4.8 V時(shí)電容開始放電，降低到3.75 V后LTC3588-1關(guān)閉，使儲(chǔ)能電容充電，經(jīng)60.2 s達(dá)到4.8 V。在電容放電過程中，電源管理電路輸出穩(wěn)定直流電壓3.3 V，持續(xù)時(shí)間為1.8 s。

圖12 儲(chǔ)能電容中電壓和電源管理電路輸出電壓

因?yàn)闊o線傳感節(jié)點(diǎn)由振動(dòng)能采集器供電，故采集器的輸出功率決定了節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的時(shí)間周期。在采集器結(jié)構(gòu)確定的情況下，采集器的輸出僅與加速度幅值和頻率相關(guān)。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)振動(dòng)加速度幅值分別為0.36、0.6和1 g，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率分別為7.2、10和17 Hz時(shí)，無線傳感節(jié)點(diǎn)每隔960、341和71.6 s發(fā)送一次環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)加速度由0.36 g增加1.67倍達(dá)到0.6 g時(shí)，發(fā)送時(shí)間為前者的0.355倍；當(dāng)加速度由0.36 g增大2.78倍達(dá)到1 g時(shí)，發(fā)送時(shí)間僅為前者的0.072倍。

當(dāng)加速度幅值恒為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時(shí)，無線傳感節(jié)點(diǎn)可以正常測(cè)量并發(fā)送環(huán)境的溫濕度信號(hào)。該無線傳感節(jié)點(diǎn)每測(cè)量并發(fā)送一次溫濕度信號(hào)的時(shí)間間隔隨環(huán)境振動(dòng)頻率的變化如圖13所示。由圖可見，當(dāng)頻率從5 Hz增加到18 Hz時(shí)，測(cè)量并發(fā)送環(huán)境溫濕度信號(hào)的時(shí)間間隔由848 s逐漸減小為60.2 s。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該無線傳感節(jié)點(diǎn)在較低的環(huán)境振動(dòng)下就可以正常工作，如在幅值0.36 g(頻率為7.2 Hz)的環(huán)境激勵(lì)下可以正常工作。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)較大時(shí)，無線傳感節(jié)點(diǎn)可以在較寬頻帶的低頻振動(dòng)激勵(lì)下正常工作，如當(dāng)環(huán)境加速度幅值為1 g時(shí)，只要環(huán)境振動(dòng)頻率在5～18 Hz范圍內(nèi)，該節(jié)點(diǎn)均可正常測(cè)量并發(fā)送環(huán)境的溫濕度信號(hào)。

圖13 加速度幅值為1 g，發(fā)送時(shí)間間隔隨振動(dòng)頻率的變化

4 結(jié) 論

自然環(huán)境的振動(dòng)能大多具有寬帶、低頻特征，開發(fā)寬帶低頻的振動(dòng)能采集器具有重要意義。帶滾珠的振動(dòng)能采集器利用滾珠與壓電懸臂梁之間的碰撞將低頻環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為懸臂梁的振動(dòng)能，進(jìn)一步利用壓電效應(yīng)將懸臂梁的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，同常規(guī)的諧振式振動(dòng)能采集器相比，具有良好的寬帶、低頻特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加速度的幅值頻率分別為1 g和18.4 Hz時(shí)，采集器一根壓電懸臂梁的輸出功率為0.51 mW，半功率帶寬為17.8%或3.8 Hz。基于該振動(dòng)能采集器設(shè)計(jì)了一個(gè)無線溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時(shí)，該節(jié)點(diǎn)均可正常測(cè)量并發(fā)送環(huán)境的溫濕度信息，其測(cè)量并發(fā)送的時(shí)間間隔由848 s縮短為60.2 s。采集器的寬帶低頻特征使該無線傳感節(jié)點(diǎn)可應(yīng)用于多種自然環(huán)境的溫濕度檢測(cè)。

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編 輯 漆 蓉

Wireless Sensor Node Powered by Broadband Low-Frequency Vibration Energy Harvester

HE Xue-feng1,2, LI Si-yu1,2, ZHANG Chuang1, and QI Rui1

(1. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System of Education Ministry of China, Chongqing University Shapingba Chongqing 400044;2. Microsystem Research Center, Chongqing University Shapingba Chongqing 400044)

A self-powered wireless sensor node for temperature and humidity measurement was developed. It is mainly composed of a vibration energy harvester, power management circuit, microcontroller, temperature- humidity sensor and a wireless transmitter. The node is powered by a broadband low-frequency vibration energy harvester with a rolling mass. The measured output power of the piezoelectric bimorph on an 140 kΩ resistor is 0.51 mW under base acceleration with the amplitude of 9.8 m/s2and frequency of 18.4 Hz, and the half power bandwidth is about 17.8% or 3.8 Hz. The power management circuit mainly consists of LTC3588-1, LT3009 and a 2 200 μF capacitor. The microcontroller and the wireless transmitter are MSP430F149 and nRF24L01, respectively. Experimental results show that, under the base acceleration excitation with a constant amplitude of 1 g, the wireless sensor node works normally when the excitation frequency increases from 5 Hz to 18 Hz, whereas the time interval for the node to measure and send out the temperature and humidity decreases from 848 s to 60.2 s. The broadband and low-frequency properties of the harvester makes this wireless sensor node can be used in many environments.

broadband; energy harvesting; low-frequency; vibration; wireless sensor node

TN384

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.03.010

2014 - 11 - 19；

2015 - 03 - 16