【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及測量測試，具體涉及一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)及其休眠喚醒方法。
技術(shù)介紹
1、物聯(lián)網(wǎng)(iot)傳感節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于加速度監(jiān)測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)往往需通過電線進(jìn)行供電。存在布放成本高、維護(hù)困難等不利因素，偏遠(yuǎn)環(huán)境甚至無法接入市電，使得傳感器布放有很大的局限性。如何能在全天候條件下保持能量供應(yīng)成為構(gòu)建下一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。在此，我們提出了一種復(fù)合發(fā)電傳感系統(tǒng)(a-gs)，用于全天候條件下的加速度感知。a-gs由接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(teng)、太陽能電池板和信號處理電路組成。teng既是能量收集器件又是加速度傳感的觸發(fā)信號源。分布在加速度傳感節(jié)點(diǎn)表面的a-gs可以從震動和太陽光中收集能量。低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)分為兩路：一條用于能量收集與管理實(shí)現(xiàn)供電與電能的存儲，另一條用于解耦后提供給微控制器作為休眠狀態(tài)的觸發(fā)信號。實(shí)時加速度信息可以遠(yuǎn)程傳輸并顯示在智能手機(jī)和電腦上，在橋梁監(jiān)測、建筑物排風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、鐵塔震動監(jiān)測等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了極大的潛力。這項(xiàng)工作不僅為新型傳感器的供電提供了選擇，也推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
2、以物聯(lián)網(wǎng)(iot)和人工智能為核心的下一代信息技術(shù)的進(jìn)步已成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵因素。這一進(jìn)展與加強(qiáng)通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密切相關(guān)。在過去的幾十年里，低功耗電子設(shè)備和無線技術(shù)的顯著發(fā)展促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大創(chuàng)新。這些節(jié)點(diǎn)有效地整合了信息監(jiān)測與信息傳遞。
3、隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于震動監(jiān)測領(lǐng)域。產(chǎn)生了設(shè)備健康監(jiān)測、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測、物流運(yùn)輸監(jiān)測、地震動
4、從這種意義上來上來說，自供電技術(shù)是一個重要的研究方向，實(shí)現(xiàn)震動傳感器的自供電，即利用從環(huán)境中收集到的能量來維持傳感器的運(yùn)行，具有重要意義。近年來，多種能量收集技術(shù)已被運(yùn)用于環(huán)境能量收集與轉(zhuǎn)換，例如{風(fēng)能發(fā)電，水波發(fā)電，壓電發(fā)電}。這些技術(shù)在自然能量收集過程中具有來源綠色、獲取便利、安全可靠等特征。例如，hao?cao等人研制了一種集成壓電和電磁機(jī)構(gòu)的混合風(fēng)能采集系統(tǒng)，為峽谷橋上的低功率傳感器供電，其最大輸出功率僅為19.24mw，難以滿足傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備的功率需求。trilochanbhatta等人專利技術(shù)了一種混合橢球裝置，用于從水的運(yùn)動中獲取能量，并且可以監(jiān)測和傳輸波形信息而無需外部電源。混合橢球裝置的設(shè)計(jì)靈感來自淺水波上物體的橢圓軌跡，裝置由六個平面螺旋線圈組成，這些線圈能覆蓋任意方向的波浪進(jìn)行發(fā)電。該裝置依賴于波浪，缺乏環(huán)境的適應(yīng)性，在陸地?zé)o法工作。sooun?lee等人提出了一種壓電聚偏氟乙烯-三氟乙烯纖維的設(shè)計(jì)策略，開發(fā)了自供電運(yùn)動傳感的通信系統(tǒng)，該材料為柔性材質(zhì)，僅能捕獲形變產(chǎn)生的能量，對震動的響應(yīng)較差。lingfei?qi專利技術(shù)了一種基于可折疊傘形機(jī)構(gòu)的便攜式風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)，安裝在高速公路的中間，它可以同時捕獲太陽能和車輛通過產(chǎn)生的風(fēng)能。這些技術(shù)的應(yīng)用一定程度上解決了自然界中獲取能量的不便性，但對于加速度/震動傳感來說，并沒有充分利用震動提供的能量。王中林院士于2012年提出的以麥克斯韋位移電流第二分量為理論基礎(chǔ)的摩擦納米發(fā)電機(jī)(teng)設(shè)想，為解決這個問題提供了新的思路。teng具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、環(huán)境友好、兼顧發(fā)電與傳感等優(yōu)勢等特點(diǎn)，基于teng的自充電能量系統(tǒng)可以為電子器件提供電能供給，但考慮到teng發(fā)電功率的問題，太陽能作為能量的補(bǔ)充是較好的選擇。
5、因此，需要一種結(jié)合太陽能且可進(jìn)行震動監(jiān)測的摩擦納米發(fā)電機(jī)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)是為了解決震動傳感器的自供電問題，提供一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)及其休眠喚醒方法，基于復(fù)合發(fā)電傳感系統(tǒng)(a-gs)的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全天候條件下的狀態(tài)感知。該節(jié)點(diǎn)是由一個復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(hng)與微控制器及外圍電路組成，a-gs由接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(teng)、太陽能電池(sc)和信號調(diào)理電路組成，由于teng既可以作為觸發(fā)的信號源，亦可作為自供電設(shè)備的能量補(bǔ)充，所以a-gs不僅可以收集自然界中的能量，還能傳遞出震動所攜帶的信息；該傳感節(jié)點(diǎn)的功耗可以控制在50mw左右，這使得從自然界中獲得足夠驅(qū)動傳感節(jié)點(diǎn)的能量成為可能；通過組合太陽能、震動等多種能量供應(yīng)形式，并配合電池進(jìn)行存儲，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自供電，為將來數(shù)字建筑的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2、本專利技術(shù)提供一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，包括復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，與復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出端分別電連接的能量管理模塊、觸發(fā)喚醒模塊，與能量管理模塊輸出端依次電連接的電池充電模塊、微控制器單元，與觸發(fā)喚醒模塊輸出端電連接的加速度傳感模塊和與微控制器單元電連接的低功耗藍(lán)牙模塊；電池充電模塊的另一個輸出端與加速度傳感模塊電連接，加速度傳感模塊與微控制器單元電連接，微控制器單元包括休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)；
3、復(fù)合納米發(fā)電機(jī)通過太陽光和機(jī)械震動收集能量并通過能量管理模塊儲存在電池充電模塊中，同時機(jī)械震動產(chǎn)生觸發(fā)信號輸出至觸發(fā)喚醒模塊，當(dāng)觸發(fā)信號達(dá)到閾值時，觸發(fā)喚醒模塊喚醒微控制器單元、加速度傳感模塊，電池充電模塊為微控制器單元、加速度傳感模塊供電，加速度傳感模塊采集震動的加速度數(shù)據(jù)并輸出至微控制器單元，然后通過低功耗藍(lán)牙模塊發(fā)送。
4、本專利技術(shù)所述的一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，作為優(yōu)選方式，復(fù)合納米發(fā)電機(jī)包括接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)、太陽能電池和信號調(diào)理電路；
5、接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)包括依次連接的上層摩擦納米發(fā)電結(jié)構(gòu)、彈簧和下層摩擦納米發(fā)電結(jié)構(gòu)，上層摩擦納米發(fā)電結(jié)構(gòu)包括第一基底和連接在第一基底底部的第一金屬薄膜，下層摩擦納米發(fā)電結(jié)構(gòu)包括第二基底和依次連接在第二基底頂部的第二金屬薄膜、接觸層，彈簧連接在第一基底、第二基底之間的四個角部，第一金屬薄膜和第二金屬薄膜之間通過引線連接并連接信號調(diào)理電路，太陽能電池連接在第一基底上部；信號調(diào)理電路中包括負(fù)載；
6、接觸層與第一金屬薄膜相互摩擦?xí)r，接觸層的表面自由能改變導(dǎo)致電子從低自由能區(qū)域流向高自由能區(qū)域、形成正電荷和負(fù)電荷的分離；外界震動時，靜電感應(yīng)使第一金屬薄膜和第二金屬薄膜帶上相異的電荷，外力的作用使第一金屬薄膜和第二金屬薄膜進(jìn)行周期虛擬管的接觸分離并在接入的負(fù)載中產(chǎn)生周期性的交變電流；
7、太陽能電池的輸出端、信號調(diào)理電路的輸出端均連接能量管理模塊。
8、本專利技術(shù)所述的一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，作為優(yōu)選方式，彈簧的回彈可減小接觸面的橫向位移、減少接觸層的磨損。<本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：包括復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)，與所述復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)輸出端分別電連接的能量管理模塊(2)、觸發(fā)喚醒模塊(3)，與所述能量管理模塊(2)輸出端依次電連接的電池充電模塊(4)、微控制器單元(5)，與所述觸發(fā)喚醒模塊(3)輸出端電連接的加速度傳感模塊(6)和與所述微控制器單元(5)電連接的低功耗藍(lán)牙模塊(7)；所述電池充電模塊(4)的另一個輸出端與所述加速度傳感模塊(6)電連接，所述加速度傳感模塊(6)與所述微控制器單元(5)電連接，所述微控制器單元(5)包括休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)包括接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(11)、太陽能電池(12)和信號調(diào)理電路；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述第一基底(1111)和所述第二基底(1131)均為厚度5mm的亞克力板，所述第一金屬薄膜(1112)和所述第二金屬薄膜(1132)均為厚度0.025mm的銅膜，所述接觸層(1133)為厚度50μm的
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述電池充電模塊(4)為所述微控制器單元(5)、所述低功耗藍(lán)牙模塊(7)充電；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：還包括與所述微控制器單元(5)電連接的有線串口；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述低功耗藍(lán)牙模塊(7)使用NB-LOT模塊鏈接至運(yùn)營商提供的4/5G網(wǎng)絡(luò)，所述低功耗藍(lán)牙模塊(7)輸出至上位機(jī)，所述上位機(jī)安裝LABVIEW軟件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述自供電傳感系統(tǒng)應(yīng)用于震動監(jiān)測。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述自供電傳感系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測、空調(diào)風(fēng)機(jī)監(jiān)測和鐵塔監(jiān)測。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9任意一項(xiàng)所述的一種基于TENG的自供電傳感系統(tǒng)的休眠喚醒方法，其特征在于：包括以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：包括復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)，與所述復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)輸出端分別電連接的能量管理模塊(2)、觸發(fā)喚醒模塊(3)，與所述能量管理模塊(2)輸出端依次電連接的電池充電模塊(4)、微控制器單元(5)，與所述觸發(fā)喚醒模塊(3)輸出端電連接的加速度傳感模塊(6)和與所述微控制器單元(5)電連接的低功耗藍(lán)牙模塊(7)；所述電池充電模塊(4)的另一個輸出端與所述加速度傳感模塊(6)電連接，所述加速度傳感模塊(6)與所述微控制器單元(5)電連接，所述微控制器單元(5)包括休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(1)包括接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(11)、太陽能電池(12)和信號調(diào)理電路；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于teng的自供電傳感系統(tǒng)，其特征在于：所述第一基底(1111)和所述第二基底(1131)均為厚度5mm的亞克力板，所述第一金屬薄膜(1112)和所述第二金屬薄膜(1132)均為厚度0.025mm的銅膜，所述接觸層(1133)為厚度50μm的fep膜，所述彈簧(112)為...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱天臣，
申請(專利權(quán))人：中國地震局工程力學(xué)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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