CN109861579B - 自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法 - Google Patents
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Abstract
自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，属于农业智能、环保领域，为了解决农业风速测量且对其收集并将其转化为摩擦电量，便于存储的问题，由风能推动风速传感器的半球形风叶转动，风速传感器的套筒转动，使其上的叶片圆盘随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘与圆形底盘的相对面设置有电极，一个电极覆有摩擦材料，一个电极生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电，效果是实现了电能存储及测量风速。
Description
技术领域
本发明属于农业智能、环保领域，涉及一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法。
背景技术
除了自然界的光、热、水、气对农业生产有利，风也是农业生产的环境因子之一，正常的风对农业生产很有作用，其中风速适度对改善农田环境条件起着重要作用。所以对风速和风向进行测量对农业会有很大的帮助。因此需要对风速进行适时监测，现今监测所用传感器主要是基于热量转移原理或差压原理构成的风速传感器，是农业气候自动监测站风的参数测量的重要设备。
此外，近年来对环境机械能的收集已逐渐成为了能源和材料研究领域的热点和重点。其中，风能作为一种大规模的可再生能源，在世界很多区域都有充裕的分布。相对于太阳能对时间与环境的严重依赖性，风能几乎不分昼夜、季节和气候环境的变化时刻存在于人们的身边。然而遗憾的是，由于地域的限制，风能这种可持续的绿色能源在很多国家和地区都没有被有效地开发利用。
因此如何制作出既能将利用风能转化为电能，又能测出风速的装置成为本发明的研究重点。
现今，对于风速的监测所用传感器主要是基于超声波时差法原理或差压原理构成的风速传感器。超声波测风速是利用超声波在空气中传播速度受风的影响来测风速的；差压测量原理是通过测量风流引起的动压和静压的差值来测量风速大小。
风力发电方面，传统的风力发电系统结构一般由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。传统的风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能(转速+扭矩)。风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，用来为其他设备装置供电。
一方面，对现有应用的风速传感器系统来说，无论基于那种测量技术的风速传感器，对独立维持自身连续工作的风速传感器来说，供电问题成为克制其网络式发展的瓶颈。因为供电系统体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络本身。另一方面，现有的风力发电机也存在着弊端，近年来报道的风力发电机主要是基于普通的电磁感应发电机。为了获得较高的输出功率和转换效率，基于电磁感应发电机的风力发电机设备一般体积大、重量沉，因此难以大规模集成。从而进一步增加了发电机的复杂性与制造成本。在传统的传感网络中，供电系统体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络本身。
发明内容
为了解决农业风速测量且对其收集并将其转化为摩擦电量，便于存储的问题，对于风速检测的电量来自于测量本身，本发明提供了一种基于风力驱动转盘式纳米摩擦发电机，利用该纳米摩擦发电机产生的不同频率的交流电信号，从而测算出风速，并能将电能储存，为其他的传感器供电，从而解决了传感器系统的自供电或自驱动问题。
一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，由风能推动风速传感器的半球形风叶转动，风速传感器的套筒转动，使其上的叶片圆盘随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘与圆形底盘的相对面设置有电极，一个电极覆有摩擦材料，一个电极生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电。
进一步的，摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘的实心连接杆、套筒、电极、导线，连接杆的杆表面带有凹槽，套筒下方带有叶片圆盘，套筒上方带有四个端部为半球形风叶的连杆；实心连接杆实心杆，杆上刻出凹槽，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘，圆形底盘的上表面镀有Au，作为电极，在Au表面覆上一层PET薄膜，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极表面，圆形底盘的电极由连接在圆形底盘的导线引出；套筒横截面为同心圆，套筒内、外圆间为实心，套筒的上方带有多根连杆，连杆均匀分布在套筒，且连杆终端具有半球形风叶，套筒下方带有叶片圆盘，当有风吹动时，带动套筒的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘转动，叶片圆盘的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极上生长并形成ZnO纳米阵列，使用有机聚合物PDMS包裹聚合生长在ZnO纳米阵列外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀ZnO纳米阵列PDMS并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极表面，叶片圆盘与套筒接触的位置，在连接杆的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒内壁接触，在连接杆设置用于导线走线的凹槽，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆端部引出，半球形风叶感应到风时，半球体风叶带动套筒转动，叶片圆盘随动转动，圆形底盘固定不动，使叶片圆盘下方与圆形底盘上方表面相互摩擦产生交流电。
进一步的，连接杆的杆表面带有5mm凹槽，实心连接杆是长为10cm、横截面直径为20mm的实心杆，杆上刻出深度为5mm的凹槽，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘，套筒的整体长为10.6cm，套筒横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶，套筒下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘。
进一步的，风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
进一步的，纳米摩擦材料的制备方法：先在叶片圆盘的下表面镀Au当做电极，并在电极表面生长ZnO纳米棒阵列。
进一步的，由风能推动风速传感器的半球形风叶转动，风速传感器的套筒转动，使其上的叶片圆盘随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘与圆形底盘的相对面设置有电极，一个电极覆有摩擦材料，一个电极生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电，并将部分或全部电能整流并存储。
进一步的，摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘的实心连接杆、套筒、电极、导线，连接杆的杆表面带有凹槽，套筒下方带有叶片圆盘，套筒上方带有四个端部为半球形风叶的连杆；实心连接杆实心杆，杆上刻出凹槽，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘，圆形底盘的上表面镀有Au，作为电极，在Au表面覆上一层PET薄膜，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极表面，圆形底盘的电极由连接在圆形底盘的导线引出；套筒横截面为同心圆，套筒内、外圆间为实心，套筒的上方带有多根连杆，连杆均匀分布在套筒，且连杆终端具有半球形风叶，套筒下方带有叶片圆盘，当有风吹动时，带动套筒的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘转动，叶片圆盘的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极上生长并形成ZnO纳米阵列，使用有机聚合物PDMS包裹聚合生长在ZnO纳米阵列外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀ZnO纳米阵列PDMS并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极表面，叶片圆盘与套筒接触的位置，在连接杆的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒内壁接触，在连接杆设置用于导线走线的凹槽，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆端部引出，半球形风叶感应到风时，半球体风叶带动套筒转动，叶片圆盘随动转动，圆形底盘固定不动，使叶片圆盘下方与圆形底盘上方表面相互摩擦产生交流电。
进一步的，连接杆的杆表面带有5mm凹槽，实心连接杆是长为10cm、横截面直径为20mm的实心杆，杆上刻出深度为5mm的凹槽，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘，套筒的整体长为10.6cm，套筒横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶，套筒下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘。
进一步的，风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
进一步的，纳米摩擦材料的制备方法：先在叶片圆盘的下表面镀Au当做电极，并在电极表面生长ZnO纳米棒阵列。采用温和水热法制备ZnO：所需试剂有：氯化锌、氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、蒸馏水，制备过程为：称取3.0g氢氧化钠放入100mL烧杯中，加水充分溶解至50mL，再称取1.36g氯化锌迅速倒入烧杯中，磁力搅拌40min得到澄清溶液，取该混合溶液，加入事先配制好的HCl水溶液调解溶液的碱度，搅拌20min，然后将混合溶液转移至容量为50mL的水热反应釜中，将反应釜放入恒温干燥箱中加热，在不同的反应温度及反应时间下进行水热反应后，自然冷却至室温，样品经超声振荡，离心，再用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，最后在80℃恒温干燥箱中烘干。
有益效果：上述方案，一方面，与传统的风速传感器相比，供电问题成为其网络式发展的瓶颈，供电系统的体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络，农业方面，自动化农业的发展使人们对传感网络的需求日益增长，因此，本发明利用风力纳米摩擦发电机与风速传感器结合的结构，通过风速传感器的自供电及自驱动解决了传感网络供电系统过于庞大的问题。具有重要的科学意义以及实际的应用价值。另一方面，和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的更为高效TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，实现自驱动功能，解决了大型传感网络供电困难的问题，改进了感应电流产生的新模式和新机制。本发明利用风能发电，使风能这种可持续的绿色能源被有效地开发利用。并可以农业方面加以利用，随着农业智能化和电气化的普及，这种低功耗传感器系统将会起到越来越重要的作用。
附图说明
图1整体装置模型图；
图2实心连接杆示意图；
图3套筒示意图；
图4 A模块整体效果图；
图5叶片圆盘示意图；
图6圆形底盘示意图；
图7 B模块电路图；
图8发电模式过程示意图；
图9不同转速下纳米摩擦发电机输出电流图；
图10不同转速下纳米摩擦发电机输出电压图；
图11LM331的内部电路图；
图12电压变化图。
其中：1.圆形底盘，2.连接杆，3.套筒，4.叶片圆盘，5.电极，6.导线1，7.导线2，8.半球形风叶,9.凹槽,10.PET薄膜,11.机聚合物PDMS，12.ZnO纳米阵列。
具体实施方式
实施例1：以下结合附图与具体实施例对本发明作出详细说明。
下述列明实施例中使用的的缩写词的英文名及其中文名的对照。
PDMS:英文名：polydimethylsiloxane 中文名：聚二甲基硅氧烷
PET:英文名：Polyethyleneterephthalate 中文名：聚对苯二甲酸乙二醇酯
本实施例提供一种自供电的风速传感器装置，具体说，说一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，包括两个模块，整体装置如图1所示，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括：
带有圆形底盘1的实心连接杆2，在实心连接杆2表面带有5mm凹槽9，
套筒3，套筒3下方带有叶片圆盘4，套筒3上方带有四个半球形风叶8，
电极5及导线。
B模块为风速传感器系统，包括：V/F变换电路、整流滤波电路、导线、可充电的锂电池、利用A模块产生的交流电线号，测算风速以及为系统中其他传感器元件供电。
更为详细的，所述A模块：
实心连接杆2：长为10cm、横截面直径为20mm的实心杆；杆上刻出深度为5mm的凹槽9，用于引出导线；杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘1，圆形底盘1的上表面先镀有Au，作为电极5；在Au表面覆上一层PET薄膜10，作为摩擦材料，当与上方产生负感应电荷的摩擦材料产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极5表面，并通过导线将电极5引出。实心连接杆2如图2所示。
套筒3：整体长为10.6cm，套筒3横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，内外同心圆实体设置，目的是使得套筒3有厚度，结实；套筒3的上方带有4根长为5cm的连杆，连杆的一侧与套筒3上方固定，其另一侧均匀分布直径为4cm半球形风叶8。当有风吹动时，用于带动套筒3的杆部及下部的叶片圆盘4转动。套筒3的下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘4，叶片圆盘4的下表面先镀上Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极5上生长，使用有机聚合物PDMS11，包裹聚合生长在ZnO纳米阵列12外部，对摩擦材料形成保护性包裹，从而提高ZnO纳米阵列12的柔韧性。采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS暴露ZnO纳米棒的尖端，当其与下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极5表面。套筒3如图3所示。
A模块使用时，将套筒3套在实心杆上，为了使叶片圆盘4及圆形底盘1能够产生相互接触导电，而不分散电荷，套筒3整体为绝缘材料，然而，叶片圆盘4与套筒3接触的位置，在连接杆2的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒3内壁接触，该位置的内壁是导电材料，如金属等，优选Au或者银，在连接杆2设置用于导线走线的凹槽9，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆2端部引出，另一条导线由圆形底盘1引出，上述，是将叶片圆盘4上的电极5引出，且是通过实心杆表面凹槽9将导线引出，该种手段能够避免在套筒3转动时，叶片圆盘4的引出的导线出现缠绕的现象。
当此装置感应到风时，上方的半球体风叶带动套筒3转动，使叶片圆盘4下方与圆形底盘1上方表面相互摩擦产生交流的电信号，导线连接示波器采集电信号，通过观察到的不同波形频率测算整理出不同风速，A模块效果如图4-6所示，为了能够示意出比较完整的凹槽9位置，图4中将叶片圆盘4与圆形底盘1间的距离做了放大，在实际使用中，二者需要接触摩擦。
B模块：
由A模块通过风力驱动纳米摩擦材料产生的交流电信号，将产生的电信号先经过整流桥(整流电路)，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,利用单刀双掷开关分别接到V/F转换电路和整流滤波电路上。一方面，我们可以将其连接到V/F转换电路上，再通过89C51的计数器功能来对频率信号进行接收、处理、储存可以根据采集到的频率数据知道模拟信号的大小，从而测算出不同风速，实现风速传感器的功能；另一方面，当不需测风速时，可以将单刀双掷开关拨到另一面，便可以将A模块产生的交流电信号通过滤波稳压电路，并通过可充电电池将电能储存，从而为其他传感器元件供电。B模块电路结构如图7所示。
V/F转换电路：通过LM331把电压信号转换为脉冲信号,脉冲信号送到89C51的计数/定时端口,由控制器对频率信号进行接收、处理、储存。并将输出与LED数码管连接，可以根据采集到的频率数据的间隔测算整理出模拟信号的大小,从而实现了模拟信号到数字信号的转换,观察到输出数字信号测算出不同风速的大小。
整流电路和滤波稳压电路：在经过整流电路整流后，将纳米摩擦发电机产生的交流电信号变为交直流混合的脉动直流电，再将脉动直流电通过电容滤波后，产生较为平滑的直流电，最后通过LM317稳压电路，得到更为稳定的直流电信号，从而将电能储存，为其他传感器元件供电。
基于上述构造说明，对基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器作出了说明，下面对其材料制备、发电方法等作出详细说明：
1.纳米摩擦材料的选择与制备
本发明专利设计的系统中的风力纳米摩擦发电机部分，摩擦纳米材料的选择与制备是决定产生摩擦电量多少的关键，也是提高能量转化率的关键。
首先在叶片圆盘4的下表面镀有Au来当做电极5，并在电极5表面生长znO纳米棒阵列。目前为止,合成znO纳米材料或者纳米结构均采用自下而上的制备方法,主要有分子束外延、金属有机化学气相沉积、激光沉积法、溅射法、热蒸发以及水热合成等方法，本发明中主要采用温和水热法：实验所需试剂有：氯化锌(ZnCl2，AR)，氢氧化钠(NaOH，AR)，无水乙醇(CH3CH2OH，AR)，盐酸(HCl，AR)蒸馏水。制备过程为：称取3.0g氢氧化钠放入100mL烧杯中，加水充分溶解至50mL，再称取1.36g氯化锌迅速倒入烧杯中，磁力搅拌40min得到澄清溶液，取一定量的该混合溶液，加入事先配制好的HCl水溶液调解溶液的碱度，搅拌20min，然后将混合溶液转移至容量为50mL的水热反应釜中，将反应釜放入恒温干燥箱中加热，在不同的反应温度及反应时间下进行水热反应后，自然冷却至室温，样品经超声振荡，离心，再用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，最后在80℃恒温干燥箱中烘干。当然，znO纳米材料可以采用CuO等纳米级金属氧化物。
此外，基于纳米ZnO阵列柔性保护层材料的生长与与刻蚀技术工艺可以有效的保护纳米ZnO阵列，提高摩擦面积，增加摩擦表面电荷，提高转化电量。因此在本发明中选择PDMS有机聚合物，其柔性好，易于聚合，绝缘性好，适合包裹聚合生长在纳米ZnO阵列外部，对摩擦材料形成保护性包裹，增加ZnO纳米棒阵列的韧性和摩擦效率。并采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS暴露ZnO纳米棒的尖端。
对于圆形底盘1上表面，首先应在其表面镀上Au作为电极5；其次摩擦材料我们选择PET进行表面修饰和表面改性处理，使其通过摩擦能够在材料表面最大限度地聚集更多的摩擦电荷，提高电能转化率和输出特性。
2.风力纳米摩擦发电机发电原理
在摩擦运动的初始阶段，两种摩擦材料没有接触，在风叶上两电极5上不存在感应电荷，在风力作用下，两种材料发生物理接触面逐渐增大，摩擦生电，圆形底盘1上表面的PET表面电荷转移至叶片圆盘4下表面的ZnO纳米阵列12表面，使得PET上产生正电荷，ZnO表面富集负电荷，在两种材料之间产生电势差，当ZnO表面完全覆盖PET表面位置时，电势差最大，此时的电压为开路电压；当风力继续吹动时，也就是两种材料接触面开始逐渐减小时，电势差随覆盖面的减小而降低，至两种摩擦材料不接触，电势差为零。为了屏蔽这个电势差电子会被驱动着经过处电路从一个电极5流向另一个电极5，从而产生电流信号。摩擦运动过程中电压变化如图10所示。而电流信号将随摩擦运动产生交变的脉冲电流。通过对交变电流频率的观察测算不同风力，从而解决了传感器系统的自供电或自驱动问题。工作过程如图8。
如图8，在风力作用下，两种材料发生物理接触面逐渐增大，摩擦生电，使得PET上产生正电荷，ZnO表面富集负电荷，在两种材料之间产生电势差；当ZnO表面完全覆盖PET表面位置时，电势差最大，此时的电压为开路电压；也就是两种材料接触面开始逐渐减小时，电势差随覆盖面的减小而降低，至两种摩擦材料不接触，电势差为零
3.风速传感器工作原理
当转速分别为10r/min，20r/min，30r/min，40r/min，50r/min，60r/min，70r/min，80r/min。输出短路电流和开路电压如图9-10所示，不同的转速，风力纳米发电机的输出频率是不同的。因此应用V/F转换器LM331芯片实现A/D转换目的的电路,实现精确的A/D转换。
由LM331的内部电路，如图11可得，电压/频率对应关系为:
可见,输出脉冲频率输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。
由此可知，电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果fo,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。故在电路中电阻均采用精密电阻,电容采用漏电流小的云母电容。由于控制器89C51的计数器模块为8位计数器,故在该电路中选Rs＝33K，Rt＝6.8K，Ct＝2200P,RL＝100K。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。电路如图12所示。
通过LM331把电压信号转换为脉冲信号,脉冲信号送到89C51的计数/定时端口,由控制器对频率信号进行接收、处理、储存。并将输出与LED数码管连接，由于V/F转换器LM331的V/F转换关系成线性，所以我们可以根据采集到的频率数据的间隔测算整理出模拟信号的大小,从而实现了模拟信号到数字信号的转换,观察到输出数字信号测算出不同风速的大小。
上述方案，一方面，与传统的风速传感器相比，供电问题成为其网络式发展的瓶颈，供电系统的体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络，农业方面，自动化农业的发展使人们对传感网络的需求日益增长，因此，本发明利用风力纳米摩擦发电机与风速传感器结合的结构，通过风速传感器的自供电及自驱动解决了传感网络供电系统过于庞大的问题。具有重要的科学意义以及实际的应用价值。
另一方面，和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的更为高效TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，实现自驱动功能，解决了大型传感网络供电困难的问题，改进了感应电流产生的新模式和新机制。本发明利用风能发电，使风能这种可持续的绿色能源被有效地开发利用。并可以农业方面加以利用，随着农业智能化和电气化的普及，这种低功耗传感器系统将会起到越来越重要的作用。
本发明通过自身摩擦发电产生的交流电信号的频率测算出风速的大小，并能将储存的电能应用在其他的传感器上，在节约能源的同时又充分利用了风能。
在另一个实施例中，一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，包括风力纳米摩擦发电机、风速传感器系统，所述的风速传感器系统包括整流电路、储能装置，风力纳米摩擦发电机产生交流电信号，整流电路将交流电信号整流为交流与直流电混合的脉动直流电信号，脉动直流电信号用于测算风速，且在必要时由储能装置将部分电能存储在储能装置。
在必要时由脉动直流电对风速传感器系统的耗电元件供电。
风力纳米摩擦发电机，包括底部带有圆形底盘1的连接杆2、套筒3、叶片圆盘4、圆形底盘1、电极5、导线，套筒3套接在实心连接杆2外周，套筒3上部沿着套筒3径向连接有若干连杆，连杆的端部是半球形风叶8，叶片圆盘4套接并紧固在套筒3的外周，叶片圆盘4与圆形底盘1的相对面设置有电极5，一个电极5覆有摩擦材料，一个电极5生长有纳米级金属氧化物，叶片圆盘4与圆形底盘1的相对面接触，且叶片圆盘4随套筒3转动而使得摩擦材料与纳米级金属氧化物转动摩擦，叶片圆盘4与套筒3接触的位置，在连接杆2的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒3内壁接触，在连接杆2设置用于导线走线的凹槽9，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆2端部引出，另一条导线由圆形底盘1引出。
所述的套筒3为绝缘体套筒3，其与叶片圆盘4接触的位置为导体。所述的导体为铜、银或与电极5同材料。
所述的圆形底盘1的电极5为其表面的镀金，摩擦材料为PET薄膜10；所述的叶片圆盘4的电极5为其表面的镀金，纳米级金属氧化物为ZnO纳米棒；ZnO纳米棒组成ZnO纳米阵列12在Au电极5生长，有机聚合物PDMS11包裹聚合生长在ZnO纳米阵列12外表，刻蚀有机聚合物PDMS11并暴露ZnO纳米棒的尖端。
风速传感器系统，包括整流电路、单刀双掷开关、V/F转换电路、计数器、滤波稳压电路、储电装置，两条导线连接在整流电路的两极，整流电路的输出连接在单刀双掷开关的动端，单刀双掷开关的不动端的一端连接V/F转换电路，V/F转换电路连接计数器，不动端的另一端连接滤波稳压电路，滤波稳压电路连接储电装置。
所述的连接杆2为实心连接杆2，其上的凹槽9为5mm凹槽9，连接杆2长为10cm、横截面直径为20mm，圆形底盘1的直径为8cm、厚度为1cm。
套筒3长为10.6cm，横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，内、外圆之间为实心，连杆具有四根且均匀分布在套筒3，连杆长为5cm，半球形风叶8直径为4cm，叶片圆盘4的直径为8cm，厚度为0.6cm。
V/F转换电路，包括LM331芯片，LM331把电压信号转换为脉冲信号,脉冲信号送到89C51的计数/定时端口,由控制器对频率信号进行接收、处理、储存，并将输出与LED数码管连接，根据采集到的频率数据的间隔测算整理出模拟信号,模拟信号到数字信号转换,观察输出数字信号，并对应测算出不同风速的。
滤波稳压电路包括电容，将脉动直流电通过电容滤波产生较为平滑的直流电，通过LM317稳压电路得到更为稳定的直流电信号。
一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，由风能推动风速传感器的半球形风叶8转动，风速传感器的套筒3转动，使其上的叶片圆盘4随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘4与圆形底盘1的相对面设置有电极5，一个电极5覆有摩擦材料，一个电极5生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电。
摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘1的实心连接杆2、套筒3、电极5、导线，连接杆2的杆表面带有凹槽9，套筒3下方带有叶片圆盘4，套筒3上方带有四个端部为半球形风叶8的连杆；实心连接杆2实心杆，杆上刻出凹槽9，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘1，圆形底盘1的上表面镀有Au，作为电极5，在Au表面覆上一层PET薄膜10，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极5表面，圆形底盘1的电极5由连接在圆形底盘1的导线引出；套筒3横截面为同心圆，套筒3内、外圆间为实心，套筒3的上方带有多根连杆，连杆均匀分布在套筒3，且连杆终端具有半球形风叶8，套筒3下方带有叶片圆盘4，当有风吹动时，带动套筒3的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘4转动，叶片圆盘4的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极5上生长并形成ZnO纳米阵列12，使用有机聚合物PDMS11包裹聚合生长在ZnO纳米阵列12外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀ZnO纳米阵列12PDMS并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘4与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极5表面，叶片圆盘4与套筒3接触的位置，在连接杆2的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒3内壁接触，在连接杆2设置用于导线走线的凹槽9，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆2端部引出，半球形风叶8感应到风时，半球体风叶带动套筒3转动，叶片圆盘4随动转动，圆形底盘1固定不动，使叶片圆盘4下方与圆形底盘1上方表面相互摩擦产生交流电。
连接杆2的杆表面带有5mm凹槽9，实心连接杆2是长为10cm、横截面直径为20mm的实心杆，杆上刻出深度为5mm的凹槽9，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘1，套筒3的整体长为10.6cm，套筒3横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒3的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒3，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶8，套筒3下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘4。
4.如权利要求1所述的自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，其特征在于，风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
纳米摩擦材料的制备方法：先在叶片圆盘4的下表面镀Au当做电极5，并在电极5表面生长ZnO纳米棒阵列。
一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦储电方法，由风能推动风速传感器的半球形风叶8转动，风速传感器的套筒3转动，使其上的叶片圆盘4随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘4与圆形底盘1的相对面设置有电极5，一个电极5覆有摩擦材料，一个电极5生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电，并将部分或全部电能整流并存储。
摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘1的实心连接杆2、套筒3、电极5、导线，连接杆2的杆表面带有凹槽9，套筒3下方带有叶片圆盘4，套筒3上方带有四个端部为半球形风叶8的连杆；实心连接杆2实心杆，杆上刻出凹槽9，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘1，圆形底盘1的上表面镀有Au，作为电极5，在Au表面覆上一层PET薄膜10，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极5表面，圆形底盘1的电极5由连接在圆形底盘1的导线引出；套筒3横截面为同心圆，套筒3内、外圆间为实心，套筒3的上方带有多根连杆，连杆均匀分布在套筒3，且连杆终端具有半球形风叶8，套筒3下方带有叶片圆盘4，当有风吹动时，带动套筒3的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘4转动，叶片圆盘4的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极5上生长并形成ZnO纳米阵列12，使用有机聚合物PDMS11包裹聚合生长在ZnO纳米阵列12外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀ZnO纳米阵列12PDMS并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘4与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极5表面，叶片圆盘4与套筒3接触的位置，在连接杆2的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒3内壁接触，在连接杆2设置用于导线走线的凹槽9，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆2端部引出，半球形风叶8感应到风时，半球体风叶带动套筒3转动，叶片圆盘4随动转动，圆形底盘1固定不动，使叶片圆盘4下方与圆形底盘1上方表面相互摩擦产生交流电。
连接杆2的杆表面带有5mm凹槽9，实心连接杆2是长为10cm、横截面直径为20mm的实心杆，杆上刻出深度为5mm的凹槽9，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘1，套筒3的整体长为10.6cm，套筒3横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒3的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒3，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶8，套筒3下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘4。
风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
纳米摩擦材料的制备方法：先在叶片圆盘4的下表面镀Au当做电极5，并在电极5表面生长ZnO纳米棒阵列。采用温和水热法制备ZnO：所需试剂有：氯化锌、氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、蒸馏水，制备过程为：称取3.0g氢氧化钠放入100mL烧杯中，加水充分溶解至50mL，再称取1.36g氯化锌迅速倒入烧杯中，磁力搅拌40min得到澄清溶液，取该混合溶液，加入事先配制好的HCl水溶液调解溶液的碱度，搅拌20min，然后将混合溶液转移至容量为50mL的水热反应釜中，将反应釜放入恒温干燥箱中加热，在不同的反应温度及反应时间下进行水热反应后，自然冷却至室温，样品经超声振荡，离心，再用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，最后在80℃恒温干燥箱中烘干。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，其特征在于，由风能推动风速传感器的半球形风叶(8)转动，风速传感器的套筒(3)转动，使其上的叶片圆盘(4)随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘(4)与圆形底盘(1)的相对面设置有电极(5)，一个电极(5)覆有摩擦材料，一个电极(5)生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电；
摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘(1)的实心连接杆(2)、套筒(3)、电极(5)、导线，实心连接杆(2)的杆表面带有凹槽(9)，套筒(3)下方带有叶片圆盘(4)，套筒(3)上方带有四个端部为半球形风叶(8)的连杆；实心连接杆(2)的杆上刻出凹槽(9)，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘(1)，圆形底盘(1)的上表面镀有Au，作为电极(5)，在Au表面覆上一层PET薄膜(10)，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极(5)表面，圆形底盘(1)的电极(5)由连接在圆形底盘(1)的导线引出；套筒(3)横截面为同心圆，套筒(3)内、外圆间为实心，套筒(3)的上方带有四根连杆，连杆均匀分布在套筒(3)，且连杆终端具有半球形风叶(8)，套筒(3)下方带有叶片圆盘(4)，当有风吹动时，带动套筒(3)的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘(4)转动，叶片圆盘(4)的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极(5)上生长并形成ZnO纳米阵列(12)，使用有机聚合物PDMS(11)包裹聚合生长在ZnO纳米阵列(12)外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS(11)并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘(4)与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极(5)表面，叶片圆盘(4)与套筒(3)接触的位置，在实心连接杆(2)的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒(3)内壁接触，在实心连接杆(2)设置用于导线走线的凹槽(9)，一条导线的起始端部与银浆接触，并由实心连接杆(2)端部引出，半球形风叶(8)感应到风时，半球体风叶带动套筒(3)转动，叶片圆盘(4)随动转动，圆形底盘(1)固定不动，使叶片圆盘(4)下方与圆形底盘(1)上方表面相互摩擦产生交流电；
风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
2.如权利要求1所述的自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦生电方法，其特征在于，实心连接杆(2)是长为10cm、横截面直径为20mm的实心连接杆(2)，杆上刻出深度为5mm的凹槽(9)，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘(1)，套筒(3)的整体长为10.6cm，套筒(3)横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒(3)的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒(3)，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶(8)，套筒(3)下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘(4)。
3.一种自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦储电方法，其特征在于，由风能推动风速传感器的半球形风叶(8)转动，风速传感器的套筒(3)转动，使其上的叶片圆盘(4)随动转动，并在其转动中，对与其相对且接触的圆盘底盘产生转动的接触，叶片圆盘(4)与圆形底盘(1)的相对面设置有电极(5)，一个电极(5)覆有摩擦材料，一个电极(5)生长有纳米级金属氧化物，转动的接触导致摩擦材料与纳米级金属氧化物转动接触摩擦，从而由风能驱动材料摩擦生电，并将部分或全部电能整流并存储；
摩擦生电装置包括A模块，A模块为风力纳米摩擦发电机，包括带有圆形底盘(1)的实心连接杆(2)、套筒(3)、电极(5)、导线，实心连接杆(2)的杆表面带有凹槽(9)，套筒(3)下方带有叶片圆盘(4)，套筒(3)上方带有四个端部为半球形风叶(8)的连杆；实心连接杆(2)，杆上刻出凹槽(9)，用于安装导线，杆下方带有圆形底盘(1)，圆形底盘(1)的上表面镀有Au，作为电极(5)，在Au表面覆上一层PET薄膜(10)，作为摩擦材料，当其与其上方的产生负感应电荷的ZnO纳米棒产生摩擦时，PET表面产生正的感应电荷，聚集在Au电极(5)表面，圆形底盘(1)的电极(5)由连接在圆形底盘(1)的导线引出；套筒(3)横截面为同心圆，套筒(3)内、外圆间为实心，套筒(3)的上方带有四根连杆，连杆均匀分布在套筒(3)，且连杆终端具有半球形风叶(8)，套筒(3)下方带有叶片圆盘(4)，当有风吹动时，带动套筒(3)的杆部及位于所述杆部下部的叶片圆盘(4)转动，叶片圆盘(4)的下表面镀有Au，将ZnO纳米棒使用水热法在Au电极(5)上生长并形成ZnO纳米阵列(12)，使用有机聚合物PDMS(11)包裹聚合生长在ZnO纳米阵列(12)外表，采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS(11)并暴露ZnO纳米棒的尖端，当叶片圆盘(4)与其下方产生正电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷，聚集在Au电极(5)表面，叶片圆盘(4)与套筒(3)接触的位置，在实心连接杆(2)的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒(3)内壁接触，在实心连接杆(2)设置用于导线走线的凹槽(9)，一条导线的起始端部与银浆接触，并由实心连接杆(2)端部引出，半球形风叶(8)感应到风时，半球体风叶带动套筒(3)转动，叶片圆盘(4)随动转动，圆形底盘(1)固定不动，使叶片圆盘(4)下方与圆形底盘(1)上方表面相互摩擦产生交流电；
风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
4.如权利要求3所述的自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦储电方法，其特征在于，实心连接杆(2)是长为10cm、横截面直径为20mm的实心连接杆(2)，杆上刻出深度为5mm的凹槽(9)，杆下方带有直径为8cm、厚度为1cm的圆形底盘(1)，套筒(3)的整体长为10.6cm，套筒(3)横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，套筒(3)的上方带有四根长为5cm的连杆，四根连杆均匀分布在套筒(3)，且连杆终端具有直径为4cm半球形风叶(8)，套筒(3)下方带有直径为8cm，厚度为0.6cm的叶片圆盘(4)。
5.如权利要求3所述的自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦储电方法，其特征在于，风力驱动纳米摩擦材料转动摩擦产生交流电信号，交流电信号先经过整流电路，使交流电变为交流与直流电混合的脉动直流电,脉动直流电连接单刀双掷开关的动端，将V/F转换电路和整流滤波电路分别接到其两个不动端；单刀双掷开关切换第一路，所述第一路是V/F转换电路连接单片机89C51，其计数器对频率信号接收、处理、储存，根据采集到的频率数据计算模拟信号，不同模拟信号对应测算不同风速；当不需要测风速时，单刀双掷开关切换第二路，所述第二路是滤波稳压电路连接储电装置，将脉动直流电滤波稳压，并存储。
6.如权利要求3所述的自驱动农业物联网风速传感器纳米摩擦储电方法，其特征在于，采用温和水热法制备ZnO：所需试剂有：氯化锌、氢氧化钠、无水乙醇、盐酸、蒸馏水，制备过程为：称取3.0g氢氧化钠放入100mL烧杯中，加水充分溶解至50mL，再称取1.36g氯化锌迅速倒入烧杯中，磁力搅拌40min得到澄清溶液，取该澄清溶液，加入事先配制好的HCl水溶液调解溶液的碱度，搅拌20min，然后将混合溶液转移至容量为50mL的水热反应釜中，将反应釜放入恒温干燥箱中加热，在不同的反应温度及反应时间下进行水热反应后，自然冷却至室温，样品经超声振荡，离心，再用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，最后在80℃恒温干燥箱中烘干。
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