CN111835077A - 可重构振动供能物联网节点 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，包括振动激励源单元、接口电路单元、能源管理单元和能量使用单元，振动激励源单元与接口电路单元之间、接口电路单元与能源管理单元之间、能源管理单元与能量使用单元之间采用机械卡槽相互连接固定并通过电气顶针结构实现电气连接。本发明的主要创新主要是振动供能物联网系统的设计。其涵盖了可用于模拟真实振动的低成本小型振动激振器，可快速替换的压电换能器和多种自供能接口电路，能量管理电路，以及无线传感器节点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点，属于动能收集、机械振动、低功耗能源管理、低功耗嵌入式系统设计等技术领域。
背景技术
得益于低功耗微电子技术以及无线通信技术的不断发展，泛在物联网的应用范围近年得到不断的拓宽(详见参考文件【1】：ackson N,Adkins J,Dutta P.Reconsideringbatteries in energy harvesting sensing,Proceedings of the 6th InternationalWorkshop on Energy Harvesting&Energy-Neutral Sensing Systems.ACM,2018:14-18.)。其应用领域涵盖民用基础设施、家庭自动化、消费电子、可穿戴设备、工业或农业监控等。目前，大多数物联网设备使用有线或化学电池供电。大规模、长时期的部署受到了有线连接或电池容量限制。环境能量收集技术的提出与发展为突破上述限制带来了曙光。通过就地取材地把周边的物理能量利用起来，可以减轻甚至消除广布的物联网节点设备对有线供电或者化学电池的依赖，实现能量自给并最终达到“无线无源、泛在物联”的愿景(详见参考文件【2】：Hester J,Sorber J.The future of sensing is batteryless,intermittent,and awesome,Proceedings of the 15th ACM Conference on EmbeddedNetwork Sensor Systems.ACM,2017:21.)。
振动能量收集技术将机械动能转化为有用电能，是实现无线无源物联网的一项重要能源解决方案。物联网的最大目标是将任何地点、任何时间的任何物体连接到互联网络，实现信息共享，互联互通。另一方面，机械振动或运动广泛分布于我们周围，振动能量的分布性适合被开发来为分布较广的低功耗物联网设备供应能量(详见参考文件【3】：Gorlatova M,Sarik J,Grebla G,et al.Movers and shakers:Kinetic energyharvesting for the internet of things,IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2015,33(8):1624-1639.)。振动供能物联网系统与其它基于环境能量供能的物联网系统一样，面临着能量有限、环境不稳定、能源间歇性等挑战，甚至具有更强的宽频、随机特性。此外，大多数振动俘能器的能量密度较低、工作带宽较窄，大部分振动供能物联网系统目前还停留在研发阶段，工作可靠性和稳定性差。所以，如何针对环境振动能源特性以及物联网系统的具体应用需求，对系统的机械、电子和信息处理三个部分进行协同优化设计是该类物联网设备开发中的一个共同难题。一个稳健的能量管理软硬件方案和具有通用性、可扩展、可快速重构的振动供能物联网开发平台能有效促进动能供能物联网设备的研究与开发，是当前最亟待发展的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的基于动能收集的物联网节点设计未能在平衡能源波动和应用需求方面给出全面的功率管理方案。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，包括振动激励源单元、接口电路单元、能源管理单元和能量使用单元，振动激励源单元与接口电路单元之间、接口电路单元与能源管理单元之间、能源管理单元与能量使用单元之间采用机械卡槽相互连接固定并通过电气顶针结构实现电气连接，其中：
振动激励源单元，用于根据现实环境中的加速度数据模拟还原现场振动，并在振动激励下产生交流电压或波动电压；
接口电路单元，用于将交流电压或波动电压转换为直流电压；
能源管理单元包括DC-DC降压转换器、储能电容器和电子比较器，其中：
DC-DC降压转换器，用于将接口电路单元或储能电容器输出的直流电压转换为稳定的输出电压供给能量使用单元，DC-DC降压转换器向能量使用单元提供用于指示稳定输出电压可用性的电压上电信号Pstart和电压断电信号Pclose；
由接口电路单元输出的直流电压为储能电容器充电；
电子比较器，依据储能电容器内存储的能量，用于向能量使用单元提供指示能量存储水平信息的能级指示信号Pgood和能级指示信号Psleep，能级指示信号Pgood表示储能电容器已储存了足够的能量，能级指示信号Psleep表示储能电容器的储能水平告急；
能量使用单元依据电压上电信号Pstart、电压断电信号Pclose、能级指示信号Pgood和能级指示信号Psleep进行能量敏感的任务调度。
优选地，所述振动激励源单元包括根据现实环境中的加速度数据模拟还原现场振动的激振器以及在激振器的振动激励下产生交流电压或波动电压的压电换能器，其中：
激振器采用商业便携式共振扬声器，压电换能器由圆形低成本的压电蜂鸣器制成，压电蜂鸣器的中心粘结了一个中心质量，压电蜂鸣器的边缘固定在共振扬声器的移动部分上；
当共振扬声器的移动部分受到振动时，压电蜂鸣器的压电结构发生变形，给定特定的压电结构后，通过调整中心质量的重量来调整谐振和通带。
优选地，所述接口电路单元包括接口电路及用于交流-直流变换的低损耗全波桥式整流器，其中，接口电路作为独立的单元模块，低损耗全波桥式整流器与所述DC-DC降压转换器集成于稳压器集成芯片中。
优选地，所述电子比较器为参考电压信号Vref以及储能电压信号，由分压电阻网络对所述储能电容器的输出电压进行采样分别生成该参考电压信号Vref以及储能电压信号。
优选地，所述能级指示信号Pgood随着所述电子比较器输出的上升沿到来，所述能级指示信号Psleep随着所述电子比较器输出的下降沿到来，通过调整电阻网络中相应电阻的阻值，调整所述能级指示信号Pgood和所述能级指示信号Psleep的触发阈值。
优选地，所述电压上电信号Pstart由所述DC-DC降压转换器输出的稳定的输出电压的上升沿触发；所述电压断电信号Pclose由所述DC-DC降压转换器输出的稳定的输出电压的下降沿触发。
本发明所提出的可重构振动供能物联网节点(ViPSN:a vibration-powered IoTsensor node)是一个综合考虑环境动能输入和低功耗物联网设备功率输出需求的振动供能物联网传感器节点开发平台，它包括了可用于模拟真实振动激励的低成本小型振动激振器，可快速替换的压电换能器，多种自供能接口电路，能量管理电路以及无线传感器节点。本发明的创新主要体现在针对运动供能物联网设备的机械、电气、信息三域协同设计，特别是针对无规则环境能量输入情况下协调传感、计算、通信等功能的功率管理方案。
本发明首先解决的是功率管理方面的问题，本发明提供的ViPSN在针对压电能量收集应用的商用集成电路芯片LTC-3588的基础上增加了关于储能水平的指示信号，便于计算单元量入为出地实现能量敏感的任务调度。该设计保证了振动供能系统在简谐振动、间歇性和冲击等不同形式的振动情况下都能可靠地运行。此外，ViPSN针对运动供能物联网设备的开发需求，提出了模块化、可互换、可扩展的设计方案，并规范了模块间的机械和电气连接。其中振动激励、接口电路、能量管理和能量使用等各部分单元均可以根据设计需求进行更新替换。ViPSN使得具有不同学科背景(例如机械工程，电气工程和材料科学)的开发人员可以快速开发出基于振动或运动供电设备的原型，并且定制加入自己开发的相应部分，从而在不同的场景中实现新的系统应用。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2及图3为图1的局部示意图；
图4及图5为本发明的结构示意图；
图6为能量管理单元和能量使用单元电路原理图；
图7为ViPSN在谐波激励下的工作波形，其中，(a)储能电压Vstore与供电电压Vcc；(b)负载电流；(c)简谐振动激励(幅度1.67g，频率150Hz，持续时间48s)；(d)工作阶段；(e)周期任务工作电流放大图；(f)初始化工作电流放大图；
图8为ViPSN在间歇模式激励下的工作波形，其中，(a)桥梁振动激励下的储能电压Vstore和供电电压Vcc；(b)激励的加速度波形；(c)初始化时刻电压放大图；(d)周期任务工作电压放大图；
图9为ViPSN在短暂冲击激励下的工作波形，其中，(a)储能电压Vstore与供电电压Vcc；(b)加速度波形；(c)工作电压放大视图；(d)加速度放大视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1至图3所示，本实施例公开的ViPSN包含了四个单元：振动激励源单元VSU、接口电路单元ICU、能源管理单元EMU和能量使用单元EUU。
振动激励源单元VSU由两部分组成：激振器和压电换能器7。本实施例中，商业便携式共振扬声器用作激振器，它根据现实环境中的加速度数据模拟还原现场振动。共振音箱具有蓝牙或标注音频输入端口。与普通扬声器不同，商业便携式共振扬声器没有膜片，它通过振动接触的硬质介质产生声音。换句话说，商业便携式共振扬声器可以将音频信号转换为结构振动。与昂贵且笨重的专业振动器相比，此便携式解决方案对于从事振动驱动的物联网应用的开发人员而言是更好的选择。
压电换能器7进行机电能量转换，由圆形低成本的压电蜂鸣器制成，其边缘固定在商业便携式共振扬声器的移动部分9上。在圆形换能器的中心粘结了一个中心质量块8。当移动部分9受到振动时，压电蜂鸣器的压电结构发生变形。给定特定的压电结构，可以通过调整中心质量块8的重量来调整谐振和通带。
在振动激励下，压电换能器产生交流电压或波动电压。本发明使用接口电路单元ICU实现交流到直流电源转换，以便为数字电子设备供电。ViPSN的接口电路单元ICU包括接口电路以及用于交流-直流(AC-DC)变换的低损耗全波桥式整流器。本实施例中，低损耗全波桥式整流器作为能源管理单元EMU中所采用的LTC-3588芯片的一部分。接口电路为独立的单元模块，通过一些开关型功率变换器的设计，可以提升接口电路动能收集效能。此外，针对不同的振动条件可以相应选择更合适的接口电路，如：标准接口电路(SEH)、并联型自供能开关接口电路(P-SP-SSHI)、串联型自供能开关接口电路(S-SP-SSHI)、自供能电荷提取电路(SP-SECE)等。
在稳健的振动供能物联网设备中，能量管理模块起着至关重要的作用。它确保系统在复杂的振动条件和计算需求下的可靠运行。它不仅负责为来自环境振动源的收集能量提供临时的能量缓冲，还负责以恒定电压向能量使用单元提供电源。由于许多环境振动源是间歇的，可变的，甚至不可预测的，能量管理模块必须通过最大化能量收入和最小化能量转换中的能量耗散实现最优的能量收集。此外，该模块需要根据用户的需求，保证能量使用模块的持续供电。自供能物联网设备的软件程序执行必须考虑到能量水平，具有能量敏感性。但是，大多数现成的商用稳压器集成芯片都只强调稳定的逻辑电压输出。未能充分支持能量存储和能量使用模块之间的必要信息交互。例如，LTC-3588芯片集成了用于交流-直流(AC-DC)变换的低损耗全波桥式整流器和用于直流-直流(DC-DC)变换的高效降压变换器。它的电源正常输出引脚(PGOOD)实际上用于指示稳定输出电压的可用性，而并非给出能量存储水平信息。本发明在LTC-3588的基础上进行了补充设计，提出了一种具有能量水平指示信号的增强型能量管理模块。它会向能源使用模块产生必要的能级指示信号，以便其做出判断，并在波动或间歇性振动的情况下更好地执行程序。
具体而言，本实施例中，能源管理单元EMU由三个部分组成：DC-DC降压转换器、储能电容器和具有可调阈值的滞回比较器。滞回比较器负责检测储能电容器的能量水平。结合图6，在LTC3588-1提供的两个电压上电信号Pstart和电压断电信号Pclose的基础上，本发明添加了两个额外的能级指示信号Pgood和Psleep(由MIC841的OUT引脚提供)。在操作期间，能源管理单元EMU向能量使用单元EUU提供4个指示能量水平的中断信号，以便ViPSN可以正确可靠地处理需要不同能耗的任务。
电压上电信号Pstart由LTC-3588提供，表示能源管理单元EMU的稳定电压输出已就绪，因此，能量使用单元EUU可以执行最基本的初始化操作。LTC-3588的PGOOD引脚输出上升沿触发电压上电信号Pstart。当电源电压Vcc高于所需调节电压(3.3V)的92％时，PGOOD引脚为逻辑高电平。如果Vcc低于此阈值，它将变为逻辑低电平。
电压断电信号Pclose由LTC-3588提供，PGOOD引脚的下降沿触发电压断电信号Pclose，表示能源管理单元EMU由于电压不稳，输出供电电压即将断电。
能级指示信号Pgood反映真实储能设备中能量级别的指示信号。它随着滞回比较器输出的上升沿到来，表示能源管理单元EMU的储能电容器已储存了足够的能量，确保最耗电的不可分割软件操作能顺利执行。
能级指示信号Psleep随着滞回比较器输出的下降沿到来。它对能量使用单元EUU发出提醒，表示储能水平告急，能量使用单元EUU应采取紧急措施及时保存关键数据，然后进入超低功耗深度睡眠模式。此外，通过调整滞回比较器的由电阻R1、R2、R3组成的电阻网络，可以调整能级指示信号Pgood和能级指示信号Psleep的触发阈值，确保在不同激励条件下系统可以正常工作。
能量使用单元EUU一般是低功耗的物联网微控制器及相关传感、通信模块，它可以执行传感、计算和通信功能。
如图4及图5所示，本实施例中，激振器单元模块1、压电换能器单元模块2、接口电路单元模块3、能源管理单元模块4和能量使用单元模块5采用便捷的机械卡槽和电气顶针连接，有利于各个功能模块的重构设计与替换升级。
以低能耗蓝牙节点作为能量使用单元EUU为例，用于执行温度传感，基本计算和通信功能。图7(a)和(b)显示了一段简谐振动激励下储能电压曲线和负载电流消耗的情况。首先，电容器需要充电至高于欠压保护的阈值VPstart的水平。然后发出Pstart信号，表明ViPSN可以退出冷启动阶段并进入初始化阶段。在初始化阶段，它执行最必要的初始化并立即进入睡眠状态。能量积累阶段随即开始。在能量积累阶段，EUU处于深度睡眠模式，并等待中断指示存储能量达到开启任务执行水平。使用中断唤醒方式，避免了收集得来的能量被过早耗光。能量积累阶段随着储能电压达到VPgood阈值结束。在EMU收到了Pgood的唤醒信号以后，能量使用模块进入定时检测和通信发送阶段，开始执行一些常规物联网操作。ViPSN会定期检测温度并将信号发送到远程接收器。为了使ViPSN能较长时间处于开机状态，EMU还在比较器输出的下降沿发送了一个Psleep中断信号。通过此能量告急的指示信号，EUU可以停止执行能耗较高的功能并进入深度睡眠阶段，再次开启能量积累过程。在深度睡眠状态中，ViPSN保持休眠，直到下一轮强烈振动再次触发Pgood唤醒。
通过合理配置VPgood和VPsleep的阈值，ViPSN可以在不同的激励条件下执行新的应用，包括间歇性或冲击振动。
在本实施例中，使用共振扬声器来仿真模拟从悬索桥所录得的真实振动。系统选用了一个47μF的储能电容器，并且将电压阈值VPgood和VPsleep设置为6.6V和5.5V，这保证了系统至少可以执行5轮温度感测和传输任务。间歇性振动激励下的工作波形如图8(a)和(b)所示。该振动激励的峰值加速度约为2g(重力加速度)，持续时间为60秒。在Pstart中断的瞬间，电压突然从5.0V降至4.7V。由于使用了47μF的存储电容器，蓝牙传感器能够在突然的电压下降后保持通电状态，从而可以进入后续工作阶段。系统初始化瞬间的电压放大图如8(c)显示。图8(d)显示了在定时检测和通信正常运行所对应的电压波形。
图9(c)所示的短暂冲击激励仅持续了780毫秒。其峰值加速度约为2g。为响应这种短暂振动激励，我们选择了一个10μF的储能电容器，其电容值要选择为高于成功运行的下限。为了缩短冷启动和能量积累阶段的时间，我们将电压阈值VPgood调整为与VPstart相同的5.0V。对于这种情况，我们设置ViPSN在触发Pgood信号后立即执行一次信息传输，这与定时发送的任务不同。如图9所示，ViPSN在一次该短暂冲击激励下，可以执行6轮传感和通信功能，并保持上电状态达10秒之久。但是，由于可靠的传输需要一个准确且稳定的高频时钟，因此在冷启动阶段输出电压Vcc不稳定期间(大约1.38至1.53秒)内，我们可以从图9(c)观察到一些失败的传输(Vcc骤降)。
Claims (6)
1.一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，包括振动激励源单元、接口电路单元、能源管理单元和能量使用单元，振动激励源单元与接口电路单元之间、接口电路单元与能源管理单元之间、能源管理单元与能量使用单元之间采用机械卡槽相互连接固定并通过电气顶针结构实现电气连接，其中：
振动激励源单元，用于根据现实环境中的加速度数据模拟还原现场振动，并在振动激励下产生交流电压或波动电压；
接口电路单元，用于将交流电压或波动电压转换为直流电压；
能源管理单元包括DC-DC降压转换器、储能电容器和电子比较器，其中：
DC-DC降压转换器，用于将接口电路单元或储能电容器输出的直流电压转换为稳定的输出电压供给能量使用单元，DC-DC降压转换器向能量使用单元提供用于指示稳定输出电压可用性的电压上电信号Pstart和电压断电信号Pclose；
由接口电路单元输出的直流电压为储能电容器充电；
电子比较器，依据储能电容器内存储的能量，用于向能量使用单元提供指示能量存储水平信息的能级指示信号Pgood和能级指示信号Psleep，能级指示信号Pgood表示储能电容器已储存了足够的能量，能级指示信号Psleep表示储能电容器的储能水平告急；
能量使用单元依据电压上电信号Pstart、电压断电信号Pclose、能级指示信号Pgood和能级指示信号Psleep进行能量敏感的任务调度。
2.如权利要求1所述的一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，所述振动激励源单元包括根据现实环境中的加速度数据模拟还原现场振动的激振器以及在激振器的振动激励下产生交流电压或波动电压的压电换能器，其中：
激振器采用商业便携式共振扬声器，压电换能器由圆形低成本的压电蜂鸣器制成，压电蜂鸣器的中心粘结了一个中心质量块，压电蜂鸣器的边缘固定在共振扬声器的移动部分上；
当共振扬声器的移动部分受到振动时，压电蜂鸣器的压电结构发生变形，给定特定的压电结构后，通过调整中心质量块的重量来调整谐振和通带。
3.如权利要求1所述的一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，所述接口电路单元包括接口电路及用于交流-直流变换的低损耗全波桥式整流器，其中，接口电路作为独立的单元模块，低损耗全波桥式整流器与所述DC-DC降压转换器集成于稳压器集成芯片中。
4.如权利要求1所述的一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，所述电子比较器为参考电压信号Vref以及储能电压信号，由分压电阻网络对所述储能电容器的输出电压进行采样分别生成该参考电压信号Vref以及储能电压信号。
5.如权利要求4所述的一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，所述能级指示信号Pgood随着所述电子比较器输出的上升沿到来，所述能级指示信号Psleep随着所述电子比较器输出的下降沿到来，通过调整电阻网络中相应电阻的阻值，调整所述能级指示信号Pgood和所述能级指示信号Psleep的触发阈值。
6.如权利要求1所述的一种可重构振动供能物联网节点，其特征在于，所述电压上电信号Pstart由所述DC-DC降压转换器输出的稳定的输出电压的上升沿触发；所述电压断电信号Pclose由所述DC-DC降压转换器输出的稳定的输出电压的下降沿触发。
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2020
- 2020-07-21 CN CN202010703752.XA patent/CN111835077B/zh active Active
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