无电池振动传感器节点的研究

摘 要 随着集成电路和微机电系统技术的发展，小尺寸、低成本、低能耗的电路与传感器的研发取得了巨大的进展，使大型无线传感器网络的构建成为可能。无线传感器网络节点一般处在野外恶劣的环境中，不允许更换电池，但是为节点提供能量的化学电池往往具有尺寸大、寿命有限等缺点，使得无线传感器网络在具体应用中受到了限制，自供电成为无线传感器网络研究的一个重要课题。

关键词 集成电路；振动传感器；节点

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0040-02

在机械或工程结构运行中，测量其重要部位的位移、速度和加速度等运动量，可对机械装备或桥梁大坝等结构进行健康监测和损伤检测。因此，无线振动传感器节点的需求量巨大。综合考虑节点供能系统的微型化和可靠性等要求，利用机械振动和太阳能的能量收集技术研究较多，并有相关器件的产品出现，具有较好的应用前景。

各种各样的因素都会导致环境中产生振动，振动式发电机节点可以将振动能量转变为电能，像自然界的生物一样采集和利用环境中的机械能，因此越来越受到研究者的重视。其中压电发电机具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工和制作和实现微小化、集成化等优点，因此利用压电装置发电已经成为一个新的研究热点。2003年，Roundy.S等人在阐述了低频振动式发电机为微型机电设备供电的思想，并提出了著名的Roundy模型，以悬臂梁和质量块的连接点的挠度为自由度，建立了悬臂梁压电发电机的理论模型，并用仿真模拟指出在压电转换当中潜在的能量密度是相当高的。2009年，Dongwon等人使用2 mm的CMOS工艺设计出了一个可以省略整流器的压电发电电路芯片，通过一个开关感应器，将从压电转换器收集的能量直接储存在电池当中。模拟实验的结果显示，改进后的电路在压电电压峰值分别为3 V和1.5 V时的效率可达到71%和69%，每周期俘获的电能可分别达到45nJ和10nJ。2001年，美国麻省理工学院媒体实验室开发出一种压电发电鞋，发电材料是置于鞋前底面与鞋跟的柔性压电薄膜。目前国内的压电发电研究基本只停留在理论研究方面，实际应用比较少。影响国内压电俘能器应用发展的因素主要是材料方面，压电陶瓷材料的俘获环境能量的能力有大有小。在选择的时候要弄清楚材料的性能参数和应用。在国内，除了吉林大学机械科学与工程学院对压电发电技术的研究已经开展多年，已经制作出了两种实验样机；2008年，重庆大学的温志渝等人通过理论分析，从力学角度对Roundy模型进行改进，提出了更为科学的悬臂梁式压电发电机的理论模型，并设计了多阵子的功率调节电路，并在轮船发动机上进行了现场试验。但是到目前为止，国内很少发现有关压电发电技术实际应用方面的报导，我们与国外在此方面的研究仍然存在着一定差距，在工业生产和日常生活中，技术潜力和市场潜力巨大。

随着电子器件、无线网络传感器以及MEMS等低功耗（几十到几百微瓦）产品的应用日益广泛，从日常环境中提取能量，给微电子设备使用已经成为研究热点。研制无电池振动传感器节点，可以将压电悬臂梁俘能器、MEMS加速度传感器以及无线传感器网络技术（WSN）进行有机的结合，利用振动环境的能量代替电池为振动传感器供电，使振动传感器的环境适应性更强、使用更方便。其研究内容包括4部分：1）压电振动发电及电源管理；2）加速度传感器调理电路及数据采集；3）无线发射与接收的通信模块；4）节点调试和振动实测。

1 振动发电传感器

采用压电俘能技术的压电俘能器，具有结构简单、不受电磁干扰、无污染、不发热和无限寿命等优点，能满足低耗能电子产品的供能需求。而压电材料品种很多，性能各异，主要有压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料、玻璃陶瓷和弛豫电晶等，其中，压电陶瓷具有优异的压电性能，应用也最为广泛。

在研究压电片俘获电能工作的过程中，我们发现除了使用压低那片连续点击覆盖基板表面的结构来俘获基频谐振时的振动能意外，周围环境中的振源以任意频率振动产生的多个谐振频率也对能量俘获起着重要作用。因此，我们采用了悬臂梁压电俘能器发电实验装置进行效果分析，如图1所示。

图1 悬臂梁压电俘能器示意图

悬臂梁基板为电磷青铜薄板；压电片为PZT 511压电陶瓷，分布在金属薄板上下两面。基板与压电板之间用导电胶粘接。当外界激励给予振动时，悬臂梁随之振动，压电片发生形变，由于压电效应产生体表电荷，电荷随着振动不断积累；当振动停止的时候，压电片变形恢复，体表电荷消失。当外在振动激励源的振动频率与悬臂梁振子固有频率相等时，发生谐振，压电片形变达到最大值，积累电荷量和相应产生的电压电流最大，发电效果达到最优。实验中我们采用振动器来提供外界振动激励源，选取JZK-5T振动激振器来试验振动发电。关于悬臂梁的形状设计，我们通过查阅资料，用矩形，梯形和三角形三种悬臂梁进行振动发电实验，实验结果表明，采用梯形和三角形梁发电结构发电效果更好。

为了实现最优的结构设计，我们对不同几何尺寸的压电片分别在不同的振动频率和电压下进行了实验。发现当悬臂梁的尺寸为15 cm，压电陶瓷片的尺寸为4*2 mm时，在频率为20至30 Hz的情况下，悬臂梁将发生高次谐振，这不是我们希望的结果。但是当频率上升至50 Hz左右时，这种现象就消失了。而且发现尺寸不同的悬臂梁和压电片的高次谐振的激振频率并不相同，当压电片的几何形状改变时，这个参数也发生了相应的变化。由此，我们选择了梯形和三角形的悬臂梁进行继续的研究。另外，发现悬臂梁的电压输出在空载和有载时存在很大差异。实验中，我们特意将量程为100K欧姆的滑动变阻器作为负载进行实验。发现当负载大于60K时，输出电压才比较接近理想值。为此，我们决定对负载回路进行阻抗变换处理，来实现加大负载的作用。

2 电源处理器

在自然环境中，由于风力等自然振动振幅较小，振动不稳定，上述振动传感器产生的是交流小电流。为了保证无线传感器网络节点的正常工作，我们需要通过一定的电源处理装置将振动产生的交流小电流转化为较为稳定的直流电源。这就需要对电量进行收集储存，通过整流桥将上述交流信号转化为直流信号，再通过电容存储电量，供给外部负载。

我们拟定出电源管理方案，采用LTC3588能量采集芯片制作电源管理模块电路板。该芯片为直接与压电或可供替代的AC电源连接、对电压波形蒸馏以及在一个外部存储电容器中存储所采集的能量而设计，同时通过一个内部并联稳压器消耗任何过多的功率。具宽迟滞窗口的超低静态电流（450 mA）欠压闭锁（ULVO）模式使电荷能够在存储电容器上积累，直至降压型转换器可以高效率地将一部分存储的电荷传送给输出为止。

由于无线发射模块和处理器的工作都需要稳定持续的电源保证，我们采用交流电桥集成模块对压电片输出的电压进行有效的管理，以保证输出电压的稳定，并达到器件工作电压等条件的要求。考虑到电路板面积的限制，我们在选择电源管理模块时，特别选用了PLCC封装，即引脚在芯片底部的那种。这样不仅降低了占板面积，而且使模块尽量靠近悬臂梁，以减少电能在传输过程中的损失。

3 无线通信

无限通信是无限传感网络（Wireless Sensor Network， WSN）技术中的核心部分。无线传感网络是由大量无限传感器节点通过无线通信方式形成的多跳、自组织网络系统，其目的是写作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

无限传感器节点按照供能分类，可以分为全能型设备和精简供能设备两种，但不管是那种设备，其硬件结构基本相同，都要包括无线传感器节点的通信传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分，如图2所示。其中负责发射和接受无线电信息的就是无限通信模块。当振动传感器感知的速度和加速度等信息以数据的形式传送给处理器模块后，由无线发送装置发送给接受者。而接收端则通过无线接受装置接受数据，供给观察者进行分析检测。

图2 无线传感器节点硬件结构示意图

在无线检测的模块的设计中，我们采用2片飞思卡尔MC9S12XD256单片机实现数据的无线收发。其中一片单片机与两片飞思卡尔MMA7260QT三轴向加速度传感器相连，用AD模块采集数据，然后利用WSI（波形阶段识别分析）原理，进行数据分析，最后通过nrf24L01无线模块将有效数据发射出去。另一片单片机与nrf24L01无线接收电路构成上层系统，并使用PDIUSBD12芯片实现与PC机的双向USB通信。测量加速度的量程范围为1.5g（灵敏度800mV/g）、2g（灵敏度600mV/g）、4g（灵敏度300mV/g）、6g（灵敏度200mV/g）四个选项，输出模拟信号，各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g），其输出为1.65V，工作状态500微安，睡眠状态3微安。实验中我们采用两块电路板来模拟一个简易无限传感器网络，其中一块用来模拟分别为振动及发射端，另一块模拟上位机接收端。

采用飞思卡尔MMA7260QT三轴向加速度传感器，利用WSI原理，进行数据采集，并进行无线数据发射，无线接受电路使用PDIUSBD12芯片实现与PC机的双向USB通信，实现对振动源无线检测的功能。

4 结论

太阳能、风力、燃料电池等发电方法已逐步投入生产，但在一些特殊环境下仍未能满足供能需要。本项目将压电俘能器技术与无线振动传感器网络技术（WSN）进行结合，通过振动发电为物联网中的节点供电，可以提高无线传感器节点在环境中的适应性，实现无电池的物联网模块，节能环保无污染。

参考文献

[1]温志渝，温中泉，贺学锋，廖海洋，刘海涛.振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用[J].机械工程学报，2008（11）：75-79.

[2]朱石沙.压电俘能技术的基本原理与类型[J] 数字化用户，2013，19（12）.