CN106603151B - 一种自供能通信装置及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种自供能通信装置及其通信方法，该通信装置包括纳米发电机和电转换单元，其中：所述纳米发电机，用于利用机械能来发电以便为所述电转换单元供电，并将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元；以及所述电转换单元，用于将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。本发明能够实现电子元器件的长时间稳定供电又能够方便地实现信息传输。

Description

一种自供能通信装置及其通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及一种自供能通信装置及其通信方法。

背景技术

目前的摩擦发电机主要用来将诸如风能的机械能转换为电能，以便实现为其他电子元器件提供长时间的稳定供电。然而，目前的摩擦发电机仅用作能量源，而与被转换成电能的机械能并存的信息，如特定的振幅和频率等，却未被赋予特定的意义并加以利用。

发明内容

本发明的发明人发现，如果在利用摩擦发电机将机械能转换成电能的同时，能够利用与该机械能并存的信息来进行通信，则既能够实现电子元器件的长时间稳定供电又能够方便地实现信息传输，因此这将是非常有意义的。

为了实现上述目的，本发明提供一种自供能通信装置，该通信装置包括纳米发电机和电转换单元，其中：所述纳米发电机，用于利用机械能来发电以便为所述电转换单元供电，并将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元；以及所述电转换单元，用于将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

本发明还提供一种采用上述通信装置进行通信的方法，该方法包括：由所述纳米发电机将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元；以及由所述电转换单元将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

通过上述技术方案，由于所述纳米发电机能够将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元，而所述电转换单元则能够将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信，因此根据本发明的通信装置及其通信方法既能够简便地实现自供电又能够利用附加在机械能上的信息进行通信。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的自供能通信装置的示意框图；

图2示例性地描述了附加在机械能上的信息；

图3示出了采用根据本发明的自供能通信装置实现的通信系统的示意图；

图4和图5分别示出了采用图3所示通信系统进行信息传输的示意图；

图6示出了一种示例性的接触分离式摩擦纳米发电机的结构图；以及

图7示出了采用根据本发明的自供能通信装置进行通信的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种自供能通信装置100，如图1所示，该通信装置100包括纳米发电机1和电转换单元2，其中：所述纳米发电机1用于利用机械能来发电以便为所述电转换单元2供电，并将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元2；以及所述电转换单元2用于将从所述纳米发电机1接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

这样，在根据本发明的通信装置100中，纳米发电机一方面能够将环境中的机械能转换成电能以便为电转换单元2供电，也即实现了通信装置100的自供电，另一方面又能够获取附加在机械能上的信息以便电转换单元2将该信息传输出去以实现信息传输。因此，根据本发明的通信装置100不仅结构简单，还便利地实现了信息传输，而且其还能够与现有的红外和可见光等通信方式相兼容，从而能够在未来的物联网通信中得到广泛应用。

另外，机械能的产生方式有多种，例如可以通过振动、声波、压力、空气流动、电磁场等方式来产生机械能。

在根据本发明的一个优选实施方式中，所述电转换单元2可以被按需设置成电光转换器件(例如，发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)等)、电声转换器件(例如，扬声器、蜂鸣器等)和发射天线中的任意一种。对于LED之类的电光转换器件而言，可以选择发光波长为例如550nm的LED。这里的“550nm”仅是示例，实际上，LED的发光波长可以根据实际使用要求来选择。

以下结合图2对附加在机械能上的信息进行示例性描述。当纳米发电机1受到周围环境中的能量触发时，就会产生携带不同能量源信息的电学输出。如图2所示，不同特征的能量触发会产生携带不同信息的电学输出，例如，图2a是纳米发电机1被频率为18Hz的外界能量触发，所产生的电学信号携带的信息为F＝18Hz、Vpp＝220V；图2b是纳米发电机1被频率为22Hz的外界能量触发，所产生的电学信号携带的信息为F＝22Hz、Vpp＝50V；图2c是纳米发电机1被频率为14Hz的外界能量触发，所产生的电学信号携带的信息为F＝14Hz、Vpp＝3V；以及图2d是纳米发电机1被频率为25Hz的外界能量触发，且几乎没有电压输出，也即Vpp＝0.5V。由于不同的外界能量源携带了不同的信息(在图2所示的示例中为不同的频率)，那么如果这些信息被事先定义了一定的意义，则能够利用本发明的通信装置100实现信息的交互与传输。

以下结合图3所示的示例性自供能通信装置100和接收器200来对这种信息交互进行进一步示例性描述。在图3所示的通信系统中，根据本发明的自供能通信装置100中的电转换单元2是电光转换器件，即LED。在该通信系统中，纳米发电机1将机械能转换成电能以便为LED供电并同时将附加在机械能上的信息传输给LED 2，LED 2将从纳米发电机1接收到的电信号转换成光信号，所转换的光信号在大气介质中传播，被接收器200中的光敏电阻40接收，通过电压表60测量光敏电阻40或者与光敏电阻40相匹配的电阻50两端的电学信号的变化，就可以获得与纳米发电机1发送的电学信号相对应的信号，从而获得被传输的信息。

图4和图5中给出了采用图3所示通信系统进行信息传输的进一步示例。

例如，所述纳米发电机1可以将不同频率的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元2，以便根据本发明的通信装置能够以移频键控的方式进行通信。图4是典型的以移频键控的通讯方式进行信息传输的示例。首先，定义两个频率f0＝18Hz，f1＝22Hz，其中频率f0对应二进制中的0，频率f1对应二进制中的1。当外界能量源的频率按照如图4a所示的0110变化时，纳米发电机1就会向电转换单元2(也即LED)中输入如图4b所示的电信号。这些电信号通过LED 2转换为光信号之后被LED 2发射出去，至此完成了根据本发明的自供能通信装置100的信息发射和传输。与此同时，接收器200中的光敏电阻40会接收到LED 2发来的光信号、将光信号转换成电压信号，由示波器显示出的该电压信号如图4c所示。根据图4c所示的电信号可以判断外界能量源发出的二进制码为0110，根据BCD码的规则，可以得到接收器200接收到的信息为“6”。而信息“6”可以被预先定义为“开启”、“关闭”或者其他信息，这样，当人或者物接受到这个信息后，就会做出相应的回应，因而实现了人和人、或者人和物、物和物之间的通信。

再例如，所述纳米发电机1可以将不同振幅的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元2，以便根据本发明的通信装置能够以移幅键控的方式进行通信。图5是典型的以移幅键控的通讯方式进行信息传输的示例。首先，定义两个振幅a0、a1，其中振幅a0对应纳米发电机1和光敏电阻40不工作的状态，振幅a1对应纳米发电机1和光敏电阻40正常工作的状态，并可以定义振幅a0对应二进制中的0、振幅a1对应二进制中的1。当外界能量源按照如图5a所示的1001变化时，纳米发电机1就会向LED 2中输入如图5b所示的电信号。这些电信号通过LED 2转换为光信号后被发射出去，接收器200中的对应光敏电阻40会接收到LED 2发来的光信号、把光信号转换成电压信号，由示波器显示出的该电压信号如图5c所示。根据图5c所示的电压信号可以判断外界能量源发出的二进制码为1001，根据BCD码的规则，可以确定LED 2发来的信息为“9”。而信息“9”可以被预先定义为“开启”、“关闭”或者其他信息。当人或者物接受到这个信息后，就会做出相应的回应，因而实现了人和人、或者人和物、物和物之间的通信。

以上结合图3-5的描述仅是示例。在实际应用中，电转换单元2的结构并非局限于LED，移频键控通信方式中使用的频率也并非局限于18Hz和22Hz。也即，电转换单元2的结构、移频键控通信方式中使用的频率都可以根据实际使用要求来设定。

在根据本发明的又一优选实施方式中，所述纳米发电机1可以为摩擦纳米发电机和压电纳米发电机中的一者或两者的组合。而且，当所述机械能为振动能时，所述纳米发电机1可以为接触分离式摩擦纳米发电机和压电纳米发电机中的一者或两者的组合；当所述机械能为滑动能时，所述纳米发电机1可以为滑动式摩擦纳米发电机。但是，本领域技术人员应当理解的是，本发明不对纳米发电机1的结构、工作模式进行限制，只要纳米发电机1能够对周围环境做出响应，即可被应用于本发明中。

以下结合图6给出接触分离式摩擦纳米发电机的一种示例性结构。应当理解，该结构仅是示例。

如图6所示，所述纳米发电机1可以包括第一固定架15、悬臂梁11、质量块14、第一电极层12、第一摩擦层13、第二电极与摩擦层21、第二基底22和第二固定架23，其中：所述悬臂梁11的一端固定到所述第一固定架15上以便所述第一固定架15对所述悬臂梁11的高度进行调节；所述质量块14位于所述悬臂梁11的上表面上，以用于调节所述纳米发电机的工作频率；所述第一电极层12覆盖在所述悬臂梁11的下表面上；所述第一摩擦层13部分或全部地覆盖所述第一电极层12，而且在所述第一摩擦层13部分地覆盖所述第一电极层12的情况下，所述第一摩擦层13覆盖在所述第一电极层12的位于所述悬臂梁11的非固定端上的部分上；所述第二固定架23位于所述悬臂梁11的非固定端的下方，且所述第二固定架23的上表面为倾斜表面，例如，第二固定架23的上表面的倾角可以为30度，但是根据实际应用需要，其他倾角也是可行的；所述第二基底22覆盖在所述第二固定架23的上表面上；以及所述第二电极与摩擦层21覆盖在所述第二基底22上，且所述第二电极与摩擦层21与所述第一摩擦层13之间存在着摩擦电极序差异。

优选地，所述悬臂梁11由能够形变弯曲的材料形成，例如塑料、金属等，优选由塑料基底PET材料形成。所述悬臂梁11的长度、厚度和宽度决定了所述接触分离式摩擦纳米发电机的振动频率，如果使用条件没有特别的约束，那么也可以不对悬臂梁11的尺寸进行特别的限制，例如，所述悬臂梁11的尺寸可以从微米到米量级，例如，所述悬臂梁11的长度可以优选为1cm-50cm、宽度可以优选为0.1cm-10cm、厚度可以优选为10微米-2毫米，例如，在某个具体应用情况中，所述悬臂梁11的长度可以为5cm、宽度可以为2cm、厚度可以为100微米。

所述第一电极层12可以为磁控溅射的铜膜或其他导电膜，其厚度可以为例如100nm，当然其他厚度尺寸及其制成方法都是可行的，只要能够实现导电功能即可。

优选地，所述第一摩擦层13可以由绝缘材料、半导体材料或导电材料形成，其厚度可以为例如50微米，但是应当理解的是，其他厚度尺寸也是可行的，只要能够实现第一摩擦层13与第二电极与摩擦层21之间的摩擦生电即可。所述第二电极与摩擦层21可以由导电材料形成，例如由铜膜或其他导电材料形成，其厚度可以为例如100nm，但是应当理解的是，其他厚度尺寸也是可行的，只要能够实现第一摩擦层13与第二电极与摩擦层21之间的摩擦生电即可。

此处列举一些常用的有机物绝缘材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺(PA)、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以被使用，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。因此，本发明不限制第一摩擦层13和第二电极与摩擦层21的形成材料，只要两者之间具备摩擦电极序差异且第二电极与摩擦层21具备导电性以便能够用作电极即可。

优选地，质量块14的形成材料可以是塑料、金属或者其他有重量的材料，优选由金属块形成。

优选地，第一固定架15的形成材料可以是塑料、金属或者其他可以作支撑的材料，优选由金属支架形成。

优选地，第二基底22可以为PET基底、塑料基底或金属基底等。

优选地，所述第二固定架23的上表面的倾角是可调节的，其形成材料可以是塑料、金属或者其他可以作支撑的材料，优选由金属支架形成。优选地，所述第一摩擦层13的中央与所述第二电极与摩擦层21的中央之间的垂直距离可以为0.2cm-4cm，例如该垂直距离可以为1cm。

本发明还提供一种采用上述自供能通信装置进行通信的方法，如图7所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1、由所述纳米发电机1将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元2；以及

步骤S2、由所述电转换单元2将从所述纳米发电机1接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

这样，就能够利用根据本发明的自供能通信装置来便利地实现信息传输，而且还不需要外部电源供电，大大节省了能源。

例如，在根据本发明的通信方法中，所述纳米发电机可以将不同频率的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便根据本发明的通信方法能够以移频键控的方式进行通信。再例如，在根据本发明的通信方法中，所述纳米发电机可以将不同振幅的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便根据本发明的通信方法能够以移幅键控的方式进行通信。以上已经结合根据本发明的通信装置对移频键控和移幅键控通信方式进行了描述，此处不再赘述。

另外，在根据本发明的通信方法中，所述电转换单元可以将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的光信号、声音信号或电信号等等，以便实现信息传输。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种自供能通信装置，该通信装置包括纳米发电机和电转换单元，其中：

所述纳米发电机，用于利用机械能来发电以便为所述电转换单元供电，并将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元；以及

所述电转换单元，用于将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机和压电纳米发电机中的一者或两者的组合。

3.根据权利要求2所述的通信装置，其中：

当所述机械能为振动能时，所述纳米发电机为接触分离式摩擦纳米发电机和压电纳米发电机中的一者或两者的组合；以及

当所述机械能为滑动能时，所述纳米发电机为滑动式摩擦纳米发电机。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的通信装置，其中，所述纳米发电机将不同频率的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便所述通信装置以移频键控的方式进行通信。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的通信装置，其中，所述纳米发电机将不同振幅的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便所述通信装置以移幅键控的方式进行通信。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的通信装置，其中，所述电转换单元被按需设置成电光转换器件、电声转换器件和发射天线中的任意一种。

7.一种采用权利要求1至6中任一权利要求所述的自供能通信装置进行通信的方法，该方法包括：

由所述纳米发电机将附加在所述机械能上的信息以电信号的形式传送给所述电转换单元；以及

由所述电转换单元将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的信号并向外发送该能够在媒质中传播的信号，以便利用该能够在媒质中传播的信号进行通信。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述纳米发电机将不同频率的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便所述方法以移频键控的方式进行通信。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述纳米发电机将不同振幅的机械能转换成具有不同幅值的电信号并将该电信号传送给所述电转换单元，以便所述方法以移幅键控的方式进行通信。

10.根据权利要求7至9中任一权利要求所述的方法，其中，所述电转换单元将从所述纳米发电机接收的电信号转换成能够在媒质中传播的光信号、声音信号或电信号。