CN103532426A - 一种自供电的无线传感网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供电的无线传感网络节点，它主要由机械振动源(18)、组合式压电发电机(19)、整流器(20)、稳压器(21)、控制器(22)、储能装置(23)、嵌入式操作系统(24)、传感器(25)、数据处理与控制模块(26)、通信模块(27)和天线(28)。组合式压电发电机(19)将机械振动源(18)的振动机械能转换成交变的电能，整流器(20)将交变的电能转换成直流的电能，并通过稳压器(21)和控制器(22)，把电能存储在储能装置(23)中，为无线传感网络节点供电。传感器(25)采集到的信号经过数据处理与控制模块(26)处理后，通过通信模块(27)，由天线(28)发出，整个无线传感器网络节点由嵌入式操作系统(24)进行控制。本发明中的组合式压电发电机发电量大、发电效率高，为物联网节点节点供电，可以实现物联网节点长期全天候工作，且能够做到能量自给，有着广泛的应用范围和应用前景。

Description

一种自供电的无线传感网络节点

技术领域

本发明涉及能量自给的无线传感网络节点，整个节点采用组合式压电发电机供电，无需更换电池或对电池充电，实现全天候、免维护工作。

背景技术

无线传感网络节点(Wireless Sensor Networks)是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。

现在的无线传感网络节点一般采用电池供电，有自己的缺点：传统的电池因其体积大、使用寿命短而逐渐不能满足使用要求；当电池电量不足、泄漏或接触不良时，物联网节点的通信灵敏度、通信距离都大大降低，严重时甚至通信失灵，因此需要经常更换电池，或对电池充电，增加了使用成本；同时，电池含有重金属，废旧电池处理不当会造严重的环境污染。电池渐渐的不能完全满足物联网节点的使用要求。

为解决这一制约问题，科学研究人员引入了“能量采集”这一概念。通常意义上所讲的“能量采集”实际上特指将其他形式的能量采集、转换为电能。即将器件所处环境中的能源转换为电能存储在电池、电容等储能装置中以满足器件的需求。

环境中能量采集的来源包括太阳能，振动能，噪声，温度梯度等多种能源。其中，振动机械能是一种较普遍的能源形式，广泛存在于楼宇、桥梁、车辆、船舶、飞行器、机电设备等各种生产和生活设备，也存在于人体的肢体运动、血液流动、心脏跳动等生命过程中，且有着较高的能量密度(250-330μW/cm³)。因此对振动机械能进行采集有着非常广泛的应用。

对振动能量的采集和转换主要存在三种方式：压电式，静电式和电磁式。压电式能量采集方式的能量密度大，结构简单便于微型化。压电发电的工作原理是基于正压电效应，将环境或人体的振动机械能转换成为电能。根据压电发电装置的结构不同，有碰撞式压电发电和弯曲式压电发电两种发电方式。碰撞式发电是利用压电元件受到碰撞时，应力发生变化，产生电能。而弯曲式压电发电是利用压电元件弯曲的时候，应力发生变化，产生电能。

弯曲式压电发电装置中，压电材料一般都是制成压电悬臂梁结构。比如中国专利CN 100414808C提出了一种压电俘能器，自由端悬挂集中质量块的悬臂梁两面粘贴压电材料，悬臂梁振动时由压电材料输出电能并存储起来，但产生的电能较小，主要用于微电子器件的供电。中国专利CN101017989A也公开了一种为微型无线传感网络节点供电的压电悬臂梁发电系统，其中压电材料仍然粘贴在悬臂梁的上下两面。中国专利CN 101262189A公开了一种利用悬臂梁的压电发电装置，其中压电材料还是粘贴在金属悬臂梁的上下两面。美国专利WO 2007121092也描述了主要用于微机电系统(MEMS)供电的的悬臂梁结构的压电能量回收装置。上述的发明专利都是利用单个的压电悬臂梁的机械振动产生电能，由于系统的结构限制，只能把外界的某一频率的机械振动转换成电能，发电效率低，频率范围窄，只能用于微型电子系统的供电。中国专利CN 101272109A公开了一种利用两组叉指型的多个压电悬臂梁，进行宽频发电装置；其中的压电悬臂梁是由压电元件直接制成，或是由压电元件粘接制成的。中国专利CN 101017989A公开了一种基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，利用压电悬臂梁，将环境的振动机械能转换成电能，为无线传感网络供电。

在上述的压电发电装置中，压电悬臂梁由两种结构形式，一种是直接用元件粘贴在一起，形成压电双晶片悬臂梁结构；另一种是把压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成三明治结构压电悬臂梁。

在现有的压电发电专利中，无论那一种形式的压电悬臂梁结构，都是由整块的压电元件相互粘贴，或由整块的压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成压电悬臂梁。在压电发电装置中，常用的压电材料是压电陶瓷。由于压电陶瓷的弹性模量较大，这样由整块的压电元件制成的压电悬臂梁一阶弯曲共振频率较高，而由自然环境或人体提供的机械振动，振动频率一般很低。这样，在使用过程中，很难使压电悬臂梁达到谐振工作状态，产生的电能比较少，无法满足一般的供电需要。而且，由整块的压电元件制成的压电悬臂梁，其中的压电材料脆性较大，容易断裂损坏，影响整个压电发电装置的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服目前弯曲式压电发电装置中压电悬臂梁工作频率高、容易断裂损坏的缺点，提出了一种利用组合式压电发电机供电的物联网节点，用多个两面贴有多片压电元件的悬臂梁进行宽频压电发电，把自然环境或人体的振动机械能转换成电能，为无线传感网络节点供电，组合式压电发电机发电量大、发电效率高、使用寿命长，可以实现无线传感网络节点免维护、全天候工作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

在组合式压电发电机主要由悬臂梁组成，悬臂梁的上下两面粘贴多片压电元件，悬臂梁的一端固定，另一端自由。该结构的优点主要有：(1)一阶弯曲谐振频率较低；(2)压电元件在使用过程不易损坏，增加了装置的使用寿命。这种结构随着周围环境的振动，把振动机械能转化成电能。而且用多片压电元件代替整块压电元件粘贴在悬臂梁两面，使压电悬臂梁的一阶弯曲谐振频率较低，在自然环境中，或把发电装置随身携带时，很容易使悬臂梁达到弯曲谐振状态，此时，悬臂梁表面的应力变化达到极大值，压电元件输出电压(电流)也达到极大值，发电效率最高。同时把悬臂梁上的压电元件串联或并联联接。如果是串联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电压增大一倍，电流不变；如果是并联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电流增大一倍，电压不变。具体的联接方式，可以根据输出电量的需求决定。

但是，由于单个悬臂梁表面粘贴的压电元件数量有限，面积较小，所发的电量也较少；且只有当环境的振动频率接近于悬臂梁的弯曲谐振频率时，才有较高的发电效率。为了提高单位时间内整个装置的发电量，把多个两面贴有多片压电片的悬臂梁平行排列，组成组合式压电发电机，以较高的效率将环境的振动机械能转化成电能，输出较大的电量。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为压电元件的结构示意图。

图2为悬臂梁的侧视图。

图3为悬臂梁的俯视图。

图4为组合式压电发电机的总装图。

图5为利用组合式压电发电机供电的无线传感网络节点的系统结构图。

具体实施方式

图1描述了压电元件的结构，压电元件包括压电材料2、电极1和3。其中的电极1、3涂镀在压电材料的两面，压电材料位于2个电极的中间，类似三明治结构；压电材料的极化方向平行于厚度方向。由于正压电效应，当压电元件受到应力应变时，将在电极上产生电荷和电压。

图2和图3描述了两面粘贴了多片压电元件的悬臂梁结构的侧视图和俯视图，多个压电元件5、6、7、8、9、10……通过胶层均匀地粘贴在悬臂梁4的上下两面上；悬臂梁的自由端两面对称地安装有质量块11、12。悬臂梁的弯曲谐振频率由悬臂梁、压电元件和质量块的材料、结构尺寸共同决定。当悬臂梁发生振动时，粘贴在悬臂梁上的压电元件将受到交变的应力，在压电元件的电极上产生电荷和电压，将振动机械能转换成电能。如果悬臂梁发生谐振，则压电元件的受到的应力将达到极大值，压电元件产生的电量也会达到极大值。

图4描述了组合式压电发电机的总装图，多个具有不同结构尺寸，上下两面粘贴多片压电元件的悬臂梁15、16、17……，一端固定在支架13上，另一端自由；整个压电发电机安装在外壳14里。当外界环境的振动引起装置外壳和支架振动时，也将使悬臂梁发生振动，产生电能。当外界环境的振动频率接近悬臂梁的谐振频率时，将会使悬臂梁发生谐振，产生的电量达到极大值。由于组合式压电发电机谐振频率较低，外界环境的振动容易引起压电发电机的谐振，可以最大程度地吸收环境中的振动能量，实现高效发电。

图5描述了利用组合式压电发电机供电的无线传感网络节点的系统结构图。组合式压电发电机(19)将机械振动源(18)的振动机械能转换成交变的电能，整流器(20)将交变的电能转换成直流的电能。稳压器(21)将直流电能调整为储能装置所需要的电压和电流。控制器(22)防止储能装置对压电元件反向充电，也对存储装置进行充电保护，防止过充电。储能装置(23)把组合式压电发电机产生的电能存储起来，为无线传感网络节点供电。存储装置可以是电解电容、可充电电池、超级电容等。传感器(25)采集到的信号经过数据处理与控制模块(26)处理后，通过通信模块(27)，由天线(28)发出。通信模块采用的无线通信技术包括802.11b、802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiFi、GPRS等。整个物联网节点由嵌入式操作系统(30)进行控制。

本领域技术人员可以理解，本发明的组合式压电发电装置，其中，悬臂梁的材料、形状、尺寸，每个悬臂梁上压电元件的数量可以根据具体情况进行调整。压电材料可由压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。

虽然以上文字已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员参照上述技术原理实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自供电的无线传感网络节点，其特征在于包括：

机械振动源(18)、组合式压电发电机(19)、整流器(20)、稳压器(21)、控制器(22)、储能装置(23)、嵌入式操作系统(24)、传感器(25)、数据处理与控制模块(26)、通信模块(27)和天线(28)；

所述组合式压电发电机(19)将机械振动源(18)的振动机械能转换成交变的电能；

所述整流器(20)与所述组合式压电发电机(19)连接，将交变的电能转换成直流的电能；

所述稳压器(21)与所述整流器(20)连接，将直流电能的电压和电流调整到所需的范围内；

所述控制器(22)与所述稳压器(21)连接，控制直流电能送入储能装置中存储起来，并防止存储装置对压电元件充电、对存储装置过充电；

所述储能装置(23)与所述控制器(22)连接，将产生的电能存储起来，为无线传感网络节点供电；

所述数据处理与控制模块(26)与所述传感器(25)连接，将传感器的信号进行处理，并对整个传感器网络节点进行控制；

所述通信模块(27)与所述数据处理与控制模块(26)连接，将所需要的数据发送出去，或将所需要的命令接收进来；

所述天线(28)与所述通信模块(27)连接，用于信号的接收和发送；

所述嵌入式操作系统(24)与所述传感器(25)、所述数据处理与控制模块(26)、所述通信模块(27)连接，用于控制整个物联网节点的运行。

2.根据权利要求1所述的自供电的无线传感网络节点，其特征在于：多个两面贴有多片压电元件的悬臂板(15)、(16)、(17)……一端安装于支架(7)上，另一端自由；多个悬臂板(15)、(16)、(17)……之间保持平行。

3.根据权利要求1所述的自供电的无线传感网络节点，其特征在于：所述的悬臂板(4)，两面粘贴有多片压电元件(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)；自由端两面安装有质量块(11)、(12)。

4.根据权利要求1所述的利用组合式压电发电机供电的无线传感网络节点，其特征在于：压电元件由压电材料(2)置于上下两电极(1、3)之间。

5.根据权利要求1所述的自供电的无线传感网络节点，其特征在于：压电元件中压电材料(2)为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。

6.根据权利要求1所述的自供电的无线传感网络节点，其特征在于：所述储能装置包括电解电容、可充电电池、超级电容。

7.根据权利要求1所述的自供电的无线传感网络节点，其特征在于：所述无线通信模块，采用的无线通信技术包括802.11b、802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiFi、GPRS等。

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