CN112671261B - 瞬态运动能量收集器及瞬态运动供能物联网传感节点设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种瞬态运动能量收集器。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，包括上述的瞬态运动能量收集器、接口电路及能量管理电路。本发明具有高鲁棒性、容易部署的特点，能有效的促进泛在运动感知系统的实现和大规模部署。发明的主要创新主要体现在针对瞬态运动的能量收集器设计和瞬态振动供能物联网系统的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种瞬态运动能量收集器以及采用该瞬态运动能量收集器的瞬态运动供能物联网传感节点设备。本发明所涉及的技术领域包括瞬态动能收集、机械振动、低功耗能源管理、低功耗嵌入式系统设计、瞬态计算和感知等。
背景技术
随着物联网(Internet of Things)技术的快速发展，泛在感知和计算已经渗透到人类生活的各个领域。泛在运动感知(Internet of Moving Things)旨在实现对运动物体的监测、识别和网络化。运动能量收集技术将运动机械能量转化为有用电能，替代化学电池为广泛且持久部署的运动感知传感器提供能源。过去的十余年间(文献【1】：Pillatsch,P.,Yeatman,E.M.,and Holmes,A.S.,“A piezoelectric frequency up-converting energyharvester with rotating proof mass for human body applications,”Sensors andActuators A:Physical 206,178-185,2014.；文献【2】：Fang,S.,Fu,X.,Du,X.,and Liao,W.-H.,“A music-box-like extended rotational plucking energy harvester withmultiple piezoelectric cantilevers,”Applied Physics Letters 114(23),233902,2019.)，如何提高低频连续激励下运动能量的采集性能一直是人们广泛讨论的科学问题。然而，可用来进行能量收集的运动源绝大多数都是随机的、不连续的、甚至是瞬态发生的。例如：开关门窗、拿放物品、腾挪货物等动作。因此，如何及时和有效地利用这瞬间发生的运动，具有更高的实用性和应用价值，同时也更具技术挑战性。
发明内容
本发明提出一种基于瞬态运动能量收集的无电池物联网传感节点。在此基础上，提出了一种机械、电子、信息融合的物联网能源解决方案。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种瞬态运动能量收集器，其特征在于，包括两个互相排斥的磁体，将两个磁体分别定义为驱动磁体和被动磁体，驱动磁体与待检测对象同步运动，从全开位置移动至全关位置或从全关位置移动至全开位置，将待检测对象的运动方向定义为纵向，则在同一平面内将与纵向相垂直的方向定义为横向，有：当驱动磁体位于全关位置时，驱动磁体与被动磁体之间的纵向距离T1＝b，b为预先设定的纵向距离值；当驱动磁体位于全开位置时，驱动磁体与被动磁体之间的纵向距离T2满足：T2>b；
还包括一种捕获-拖拽-释放运动能量收集结构，在运动过程中驱动磁体和被动磁体产生的驱动力作用下，弹性机械势能载体结构发生形变使机械势能逐渐积累直至达到最大值Epre，随后机械势能释放并通过换能器(包括压电、磁电、摩擦等在内)作用将机械势能Epre转换为机械动能、热能和电能Ee。
优选地，所述弹性机械势能载体结构采用悬臂梁结构，在运动过程中的所述驱动磁体与所述被动磁体之间的磁力的作用下，悬臂梁结构发生形变使机械势能逐渐积累直至达到最大值Epre，随后悬臂梁结构被释放并开始以其共振频率发生欠阻尼衰减振荡。通过机电换能器的作用，如压电、磁电等，机械势能Epre转换为机械动能、热能和电能Ee。
本发明的另一个技术方案是提供了一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，包括上述的瞬态运动能量收集器、接口电路及能量管理电路：
所述瞬态运动能量收集器采集的电能Ee＝ηEpre，η表示机电能量转换效率，且满足ηEpre>Eload，Eload为所述瞬态运动供能物联网传感节点设备的能量启动阈值；
瞬态运动能量收集器采集的电能Ee通过接口电路传输给能量管理电路，由能量管理电路生成稳定的电压输出，为外接的数字模块供电。
优选地，还包括用于判断所述待检测对象运动方向的无线传感器。
优选地，当所述驱动磁体从全开位置移动至全关位置时，所述机械势能Epre从线性势阱变化至双稳态势阱再变化至非线性单稳态势阱；当所述驱动磁体从全关位置移动至全开位置时，所述机械势能Epre从非线性单稳态势阱变化至双稳态势阱再变化至线性势阱，则所述无线传感器依据上述变化趋势对所述待检测对象的运动方向进行判断。
优选地，所述无线传感器将相应的信息发送至外部的接收器。
本发明具有高鲁棒性、容易部署的特点，能有效的促进泛在运动感知系统的实现和大规模部署。发明的主要创新体现在针对瞬态运动的能量收集器设计和瞬态运动供能物联网系统的设计。
本发明提供的一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点(atransient-motion-powered IoT sensing node，以下简称为ViPSN-E)是一种无电池的运动感知无线物联网节点。现有的运动能量收集都集中在周期性或是往复式的时间持续激励模式，未能满足更加普遍的瞬时运动激励的要求。本发明首先解决的是瞬态运动能量收集方面的问题，ViPSN-E采用了磁拨结构的能量收集器，其由悬臂梁和一对相互排斥的磁体组成，通过瞬时运动间的磁拨激励，收集器将运动能转换为电能。此外，基于磁拨运动的工作机理，即系统势阱在磁拨过程中的时变特性，本发明设计了一种非对称的磁拨悬臂梁结构，用于根据收集到电能的差异来识别不同的运动激励方向。本发明还包括了高效的电源管理单元和无线传输单元，其可以通过充分利用从瞬时单向运动中收集到的电能量执行运动检测和无线通信。
附图说明
图1为实施例公开的一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备的系统框图；
图2为瞬态运动能量收集器结构图(轴视图)；
图3为瞬态运动能量收集器结构图(侧视图)；
图4(a)至图4(c)为磁拨结构示意图；图4(d)至图4(e)为相应的时变势阱图；图4(a)和图4(d)为线性势阱图；图4(b)和图4(e)为中间位置和双稳态对称势阱图；图4(c)和图4(f)为非线性单稳态非对称势阱图；
图5为能量转换示意图；
图6为ViPSN-E工作流程，其中，图6(a)为存储电压(Vstore)和供电电压(Vcc)轨迹图，图6(b)为能量轨迹放大图。
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所示，本实施例中的ViPSN-E由四部分组成：磁拨结构运动能量收集器，在本例中采用了压电材料作为机电换能器，用于收集电能Ee；接口电路；能量管理电路通过接口电路将运动能量收集器收集的电能Ee转换为稳定的电压向外输出，为外接的数字模块供电；无线传感器，用于根据转换后的能量值确定移动方向，并将相应的信息发送到外部的接收器。
如图2和图3所示，本实施例中的磁拨结构运动能量收集器有5个基本单元，包括基座1；压电片2；悬臂梁3；末端磁铁4；驱动磁铁5。末端磁铁4及驱动磁铁5为两个排斥磁体，分别安装在待检测运动对象M2和固定框架M1上，以在单向瞬态运动下产生磁拨除激励。在每次磁拨的运动过程中，在驱动磁铁5和末端磁铁4之间的磁力作用下，带有压电片2的悬臂梁3弯曲变形。当悬臂梁3的弹性力超越磁力时，悬臂梁3到达临界位置。通过临界位置之后，悬臂梁3被释放，并且开始振荡直到最后衰减。
将待检测运动对象M2的运动方向定义为纵向，则在同一平面内将与纵向相垂直的方向定义为横向。将驱动磁铁5随待检测运动对象M2运动的运动位置定义为全关位置及全开位置。如图4(a)所示，此时驱动磁铁5位于全开位置，驱动磁铁5的中心与末端磁铁4的中心之间的纵向距离T2可以是无穷大的。如图4(c)，此时驱动磁铁5位于全关位置，驱动磁铁5的中心与末端磁铁4的中心之间的纵向距离T1为b，并且纵向距离T2满足：T2>b。在每一次磁拨运动过程中，随着驱动磁铁5的移动，系统的势能(悬臂梁3的弹性势能和系统磁势能总和)逐渐变化，当驱动磁铁5和末端磁铁4之间的磁力等于悬臂梁3的弹力时(相反的方向)，此时，如图4(b)所示，悬臂梁3所积累的势能达到最大值。如图4(d)至(f)所示分别为图4(a)至图4(c)所对应的时变势阱能量图，系统势能从线性势阱到双稳态对称势阱再到非线性单稳态非对称势阱图。悬臂梁3在不同势阱中振荡所产生的电能不同。因此，通过设定驱动磁铁5的停止位置(即改变b的值)和系统的磁力配置(即改变驱动磁铁5的中心与末端磁铁4的中心之间横向距离大小d，或者改变末端磁铁4及驱动磁铁5产生的磁力大小)，我们可以改变系统相应的振动特性，如图4(d)和图4(f)所示。
图5显示了当ViPSN-E在一次磁拨运动激励下的能量转换时域示意图。其涉及的能量形式包括机械势能，机械动能，热能和电能，期间的能量组成可以解释如下：
1、在初始状态下，系统中保留的总能量为空。
2、随着悬臂梁3在磁拨运动下变形，机械势能逐渐积累。当驱动磁铁5和末端磁铁4之间的磁力等于悬臂梁3的弹力时(相反的方向)，梁变形直到临界时刻(tc)。此时，悬臂梁3所积累的势能达到最大值，如图4(e)所示。我们将此称为势能预充电，其累积的势能用Epre表示。
3、在临界点之后，弹性恢复力占上风；悬臂梁3被释放并开始以其共振频率振荡，如图5所示。在欠阻尼的振动和能量收集过程中，预充电的势能Epre转换为机械动能、热能和电能。仅当转换后的电能(Ee＝ηEpre)超过ViPSN-E的能量启动阈值(Eload)时，传感和无线通信等功能才可以成功执行。η表示机电能量转换效率，其与机械结构、接口电路、能量管理电路和负载有关。因此，为了确保计算中的能量可靠性，ViPSN-E必须平衡能量的供需，即在每次拔拔动作中使ηEpre>Eload。
运动方向识别是运动检测器的基本功能。在大多数解决方案中，执行此任务需要可能消耗更多能量的其他零件。作为能量受限的系统，ViPSN-E利用非对称磁拨结构中运动方向与可采集的能量(Ee)之间存在的隐式关系，通过调整移动磁体的终端位置b，形成两种不同的振动状态：线性振荡和非线性振荡。如图4(d)和图4(f)所示，由于两个最终势阱的深度不同，可收获能量也不同。因此，系统可以基于捕获能量值来估计运动方向。
当驱动磁体从全开位置移动至全关位置时，机械势能Epre从线性势阱变化至双稳态对称势阱再变化至非线性单稳态非对称势阱。当驱动磁体从全关位置移动至全开位置时，机械势能Epre从非线性单稳态非对称势阱变化至双稳态对称势阱再变化至线性势阱。线性势阱、双稳态对称势阱及非线性单稳态非对称势阱对应不同的势阱的深度，则无线传感器依据势阱的深度的变化趋势对待检测对象的运动方向进行判断。
本实施例中，势阱的深度可以通过以下方式获得：
U(w,b)＝∫Felasticdw+∫Fmagneticd(w-b)
其中，U(w,b)为机械势能；Felastic和Fmagnetic分别是系统弹力和磁力；b为驱动磁铁的位移；w是末端磁铁相对于中心轴线的位移。
本发明通过对机械-电子-信息三部分的协同设计，实现了通过瞬态运动能量收集技术提供能源的无电池运动感知物联网系统。通过捕获瞬时的运动能量，在每次磁拨激励过程中，运动能量收集器收集到的电能被缓存在储能电容中。之后，无线传感器的微控制器和无线电被激活，并根据储能数值发送相应的数据包。根据与运动方向相关联的数据包编号以及先验知识，ViPSN-E实现运动感知和方向识别。
图6(a)及图6(b)展示了一次磁拨运动激励过程的能量变化图。当存储电压(Vstore)达到阈值5.0V时，能量管理电路中的内部降压转换器被激活，以提供稳定的3.3V输出电压作为电源电压(Vcc)。此时，无线传感器的微控制器启动。随后，无线射频使能并开始发送数据包，如图6(b)所示，在本次实验中，其执行了12轮发送任务，以指示此次瞬态运动激励所收集到电能的量值。最后，随着任务的完成，微控制器退出活动模式并切换到低功耗睡眠模式。如图6(a)所示，ViPSN-E最多可以维持5秒钟的可靠计算状态(稳定的Vcc)。
ViPSN-E可以部署在任何有运动发生的场景，其作为运动捕获器被部署在门、文件柜、窗户和仪器等场景。实验结构表明，在所有的场景中，ViPSN-E从不同运动方向收集的能量都不同，且都远大于无线传感器基本功耗(约100μJ)。
Claims (5)
1.一种瞬态运动能量收集器，其特征在于，包括两个互相排斥的磁体，将两个磁体分别定义为驱动磁体和被动磁体，驱动磁体与待检测对象同步运动，从全开位置移动至全关位置或从全关位置移动至全开位置，将待检测对象的运动方向定义为纵向，则在同一平面内将与纵向相垂直的方向定义为横向，有：当驱动磁体位于全关位置时，驱动磁体与被动磁体之间的纵向距离T1＝b，b为预先设定的纵向距离值；当驱动磁体位于全开位置时，驱动磁体与被动磁体之间的纵向距离T2满足：T2>b；
还包括一种捕获-拖拽-释放运动能量收集结构，在运动过程中驱动磁体和被动磁体产生的驱动力作用下，弹性机械势能载体结构发生形变使机械势能逐渐积累直至达到最大值Epre，随后机械势能释放并通过换能器作用将机械势能Epre转换为机械动能、热能和电能Ee；
所述弹性机械势能载体结构采用悬臂梁结构，在运动过程中的所述驱动磁体与所述被动磁体之间的磁力的作用下，悬臂梁结构发生形变使所述机械势能逐渐积累直至达到最大值Epre，随后悬臂梁结构被释放并开始以其共振频率发生欠阻尼衰减振荡；
在一次磁拨运动激励下的能量转换包括以下步骤：
步骤1、在初始状态下，系统中保留的总能量为空；
步骤2、随着悬臂梁结构在磁拨运动下变形，机械势能逐渐积累；当驱动磁体和被动磁体之间的磁力等于悬臂梁结构的弹力时，梁变形直到临界时刻tc，此时，悬臂梁结构所积累的势能达到最大值，将此称为势能预充电，其累积的势能用Epre表示；
步骤3、在临界点之后，弹性恢复力占上风；悬臂梁结构被释放并开始以其共振频率振荡，在欠阻尼的振动和能量收集过程中，预充电的势能Epre转换为机械动能、热能和电能；仅当转换后的电能Ee＝ηEpre超过能量启动阈值Eload时，包括传感和无线通信在内的功能才可以成功执行，其中，η表示机电能量转换效率，其与机械结构、接口电路、能量管理电路和负载有关，为了确保计算中的能量可靠性，在每次拔拔动作中使ηEpre>Eload；
运动方向识别通过以下方式实现：
当驱动磁体从全开位置移动至全关位置时，机械势能Epre从线性势阱变化至双稳态对称势阱再变化至非线性单稳态非对称势阱；当驱动磁体从全关位置移动至全开位置时，机械势能Epre从非线性单稳态非对称势阱变化至双稳态对称势阱再变化至线性势阱；线性势阱、双稳态对称势阱及非线性单稳态非对称势阱对应不同的势阱的深度，则无线传感器依据势阱的深度的变化趋势对待检测对象的运动方向进行判断。
2.一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，包括如权利要求1所述的瞬态运动能量收集器、接口电路及能量管理电路：
所述瞬态运动能量收集器采集的电能Ee＝ηEpre，η表示机电能量转换效率，且满足ηEpre>Eload，Eload为所述瞬态运动供能物联网传感节点设备的能量启动阈值；
瞬态运动能量收集器采集的电能Ee通过接口电路传输给能量管理电路，由能量管理电路生成稳定的电压输出，为外接的数字模块供电。
3.如权利要求2所述的一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，还包括用于判断所述待检测对象运动方向的无线传感器。
4.如权利要求3所述的一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，当所述驱动磁体从全开位置移动至全关位置时，所述机械势能Epre从线性势阱变化至双稳态对称势阱再变化至非线性单稳态非对称势阱；当所述驱动磁体从全关位置移动至全开位置时，所述机械势能Epre从非线性单稳态非对称势阱变化至双稳态对称势阱再变化至线性势阱，则所述无线传感器依据上述变化趋势对所述待检测对象的运动方向进行判断。
5.如权利要求4所述的一种基于运动能量收集的瞬态运动供能物联网传感节点设备，其特征在于，所述无线传感器将相应的信息发送至外部的接收器。
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