CN117740081B - 基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自供能农业传感系统技术领域，具体提供一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，通过设置柔性压电薄膜、发电控制器、超低功耗传感子系统和高阻抗传感器，发电控制器控制微能量收集器启动收集多个纳米压电组件的交变信号并控制电荷转移电容器达到预充能状态，超低功耗传感子系统驱动高阻抗传感器检测环境参量，微能量收集器驱动电荷转移电容器和主蓄能电容器配合运行实现电压稳压和阻抗变换，发电控制器不使用磁性元件，降低硬件成本和体积，高阻抗传感器采用半导体电阻和功能复合材料制备和电桥结构，可实现对温度、相对湿度、光通量、光谱分布、气体环境或机械作用力等农业环境参量的快速低功耗检测和无线数据采集。

Description

基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统

技术领域

本发明涉及自供能农业传感系统技术领域，具体提供一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统及其控制方法。

背景技术

随着集约化农业与物联网技术的快速发展，在栽培设施或畜牧设施中部署传感器可实现环境指标的实时监测，有助于优化设施内的物质流与能量流，并改善设施环境，进而实现优质高产、高效低能耗的集约化精准农业。目前，在农业设施内部署环境传感系统已有较多的研究和技术应用，但其供电方式和长期稳定运行方面仍存在诸多技术缺陷，制约该类技术进一步发展。

农业传感系统的运行需要电力输入，目前主要采用线缆供电、电池储电和自发电三类技术方法。对于线缆供电模式，需要在农业设施内部署大量的供电线路，其成本高昂，施工难度大，且栽培设施内高湿度、地面潮湿、肥料离子侵蚀等现象易导致线缆锈蚀损坏，后期维护困难，对于畜牧设施，牲畜活动及生产操作易造成线缆破损漏电，危害设施安全生产，此外在农业设施内部署大量线缆，常妨碍正常农技操作，造成该类方法实用性欠佳。对于电池储电模式，受限于目前实用化的电池技术，在较小体积和较低成本下，电池储存的电量有限，难以支撑传感器长期连续运行，需要频繁更换电池或进行离线充电，人工维护成本高昂。此外，目前已有研究采用极低采样频率的方法降低传感器能耗以延长电池寿命，但该方法不具有实时性，与智能化精准农业的初衷相悖。

由于栽培设施中存在灌溉系统水流冲刷、设施通风系统气流冲击及设施环境噪声，畜牧设施存在动物活动产热、踩踏压力变化，以及农业设施室外太阳能、风能资源较为丰富，具有大量潜在的分散能源，若加以收集利用，有望解决农业传感系统的供电，因此自发电供能已成为研究热点之一。目前，已出现太阳能电池和微型风力发电机供电的传感装置，其主要应用于室外场景，在光照强度和风速较低的室内，该类方法难以有效发电，不足以支持传感器正常工作。自发电供能的另一类方法是基于温差热电效应、压电效应材料实现微能量收集，但该方法在农业领域的研究应用相对较少。

对于压电发电技术，目前主要采用压电晶体片或压电陶瓷片等无机压电材料，其具有较高的刚性，在曲面表面安装困难，较低作用力下难以产生有效的形变，且具有显著的谐振点，其本质为带通滤波器，无法充分收集环境中振动、摩擦、噪声声波等携带的能量。此外，常用的无机压电材料输出电压较高，需要降压稳压后才能供给微电子传感器设备使用，目前常规方法是基于磁性器件的buck-boost电路并搭配充电电池，该方法在运行过程中能量损耗较大，实际发电效果欠佳，常作为补充供电使用，且充电电池经历多次充放循环后容量衰减，易造成系统性能退化，降低使用寿命。

在传感系统控制方面，目前尚未出现专用于微能量供电的系统，现有方法主要采取间歇式工作模式，人为增加采样间隔，降低平均功率，该方法虽然解决了微能量供电条件下电力匮乏的问题，但实时性较差，无法及时反馈设施内环境参量变化，造成环控精度和调控效果劣化。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统及其控制方法，以解决现有方法中农业环境传感器依赖外部电源，综合布线成本高且影响农技操作；太阳能或风能发电模式依赖外部环境，室内场景兼容性差；传统压电材料刚性大，曲面表面安装困难，且对微小作用力不敏感；传统自供能传感器运行不连续、不稳定等技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，具体，包括柔性压电薄膜、发电控制器和环境参量传感装置；

所述柔性压电薄膜内部封装多个呈串联连接的纳米压电组件，所述发电控制器包括与所述柔性压电薄膜连接的微能量收集器、与所述微能量收集器连接的电荷转移电容器、以及与所述微能量收集器连接的主蓄能电容器；

所述环境参量传感装置包括与所述微能量收集器连接的超低功耗传感子系统、与所述超低功耗传感子系统连接的高阻抗传感器；

所述发电控制器控制所述微能量收集器启动收集多个所述纳米压电组件的交变信号并根据所述交变信号控制所述电荷转移电容器达到预充能状态，所述超低功耗传感子系统根据所述预充能状态驱动所述高阻抗传感器检测环境参量。

优选的，所述超低功耗传感子系统包括与所述高阻抗传感器连接的精密差分放大器、电压基准源、微功耗模数转换器、静态存储器和微功耗控制器，所述精密差分放大器与所述微功耗模数转换器、所述微功耗控制器连接，所述微功耗模数转换器与所述微功耗控制器、所述静态存储器、所述电压基准源连接，所述微功耗控制器连接至所述微能量收集器、所述静态存储器；

所述精密差分放大器将所述高阻抗传感器的电桥差分信号转化为幅值适宜的共模信号，所述微功耗模数转换器对所述共模信号进行数字化采样并转化为所述静态存储器和所述微功耗控制器可接受的数字信号，所述电压基准源用于向所述微功耗模数转换器提供稳定的参考电压，所述微功耗控制器对所述静态存储器进行读写操作，所述微功耗控制器用于控制所述发电控制器和所述超低功耗传感子系统的工作状态。

优选的，还包括射频发射子系统、射频天线和信号接收子系统，所述射频发射子系统与所述微功耗控制器连接，所述射频发射子系统间歇式运行发送所述环境参量传感装置的传感数据，所述信号接收子系统通过所述射频天线远程无线接收所述传感数据，所述主蓄能电容器向所述射频发射子系统提供短时大电流以发射远距离射频信号。

优选的，所述信号接收子系统包括嵌入式工控机、网络端口适配器和射频前端，所述网络端口适配器、所述射频前端与所述嵌入式工控机连接，所述射频前端通过单向视频信道侦听方式接收所述射频天线发射的射频信号，所述嵌入式工控机对所述射频信号进行解码以获取对应的传感数据。

优选的，所述微能量收集器包括整流器、主电容充放电控制器、电源输出控制器、逻辑适配器、控制逻辑接口和电源输出接口，所述整流器、所述主电容充放电控制器、所述逻辑适配器、所述电源输出接口与所述电源输出控制器连接，所述逻辑适配器与所述控制逻辑接口连接，所述整流器与所述主电容充放电控制器、所述电荷转移电容器、所述柔性压电薄膜连接，所述主电容充放电控制器与所述主蓄能电容器连接；

其中，所述整流器将柔性压电薄膜产生的方向、频率及振幅不断变化的交变电流转化为直流电，并通过所述电荷转移电容器临时储存电能；所述主电容充放电控制器控制所述主蓄能电容器的充放电过程，所述主蓄能电容器储存所述储存电能。

优选的，所述电源输出控制器包括第一输出端口和第二输出端口；

所述第一输出端口与所述电源输出接口中的Vsb引脚连接，用于在所述整流器达到预设门限后提供待机电源，并供给所述超低功耗传感子系统中的电路运行；

所述第二输出端口与所述电源输出接口中的V+引脚连接，所述逻辑适配器控制所述第二输出端口的输出状态，所述输出状态默认为关闭状态；

当所述主蓄能电容器充能完成后，所述电源输出控制器通过所述逻辑适配器和所述控制逻辑接口向所述超低功耗传感子系统中的微功耗控制器发出就绪信号，所述微功耗控制器根据所述就绪信号输出反馈信号并通过所述逻辑适配器控制所述电源输出控制器接通V+引脚输出，以向所述射频发射子系统提供短时大电流。

优选的，所述纳米压电组件包括外层柔性电极、纳米压电材料和内层柔性电极，所述外层柔性电极和所述内层柔性电极采用气相沉积-掩模版转印方法在纳米压电材料的上、下表面原位制备电极，用于收集并传递所述纳米压电材料在应变条件下产生的电荷。

优选的，所述纳米压电材料采用驻极体高分子材料制备或高分子弹性体掺杂压电晶体微颗粒的复合材料方法制备；

所述驻极体高分子材料制备过程包括：热压延法或静电场辅助沉积法制备薄膜，并通过高压电场极化实现材料的压电特性，采用多层堆叠结构提高输出电压；其中，驻极体高分子材料制备的纳米压电组件包含至少一个压电膜片，每个所述压电膜片属于二维纳米薄膜；

所述复合材料方法制备过程包括：制备压电晶体微颗粒并进行预极化，与高分子弹性体基料掺混，在高压电场极化条件下固化成型，实现具有宏观压电特性的纳米压电材料；其中，复合材料方法制备的纳米压电材料的压电功能由纳米级压电晶体微颗粒实现，压电晶体微颗粒均匀分布在片状高分子弹性体内部，当纳米压电组件在应力作用下发生形变，其压电晶体微颗粒的电畴方向改变，引起宏观的电荷迁移以产生电动势。

优选的，所述高阻抗传感器包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂、以及分别连接所述第一桥臂、所述第二桥臂的传感器接口，所述第一桥臂包括串联连接的电阻式传感器和参比电阻器，所述第二桥臂包括并联连接的匹配电阻和平衡微调电阻器、再串联连接的高稳定性电阻器。

第二方面，本发明还提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：柔性压电薄膜受到灌溉系统水流冲刷、设施通风系统气流冲击、设施环境噪声或畜禽场中动物活动踩踏中的至少一种机械作用力，柔性压电薄膜中的纳米压电组件产生形变，通过压电效应输出交变信号；

S2：发电控制器启动微能量收集过程，向电荷转移电容器充电，若电荷转移电容器达到电压阈值，此时预充能正常；若尚未达到电压阈值，则继续进行微能量收集过程，直至电荷转移电容器达到电压阈值；

S3：若电荷转移电容器预充能正常，此时执行传感器读取流程：微功耗控制器运行，按程序通过超低功耗传感子系统测量高阻抗传感器的信号，实现环境参数感知，此时微功耗控制器将测得数据打包，临时存放在静态存储器；

S4：存储数据完成后，微功耗控制器访问发电控制器中的微能量收集器，获取主蓄能电容器的充能状态，若主蓄能电容器充能不足，则继续执行传感器读取流程，直至主蓄能电容器充能正常；

S5：若主蓄能电容器充能正常，微功耗控制器将使能发电控制器的V+输出，射频发射子系统得电运行，同时微功耗控制器将静态存储器中临时存放的数据发送至射频发射子系统，并触发射频发射子系统通过射频天线发射信号；

S6：信号接收子系统通过射频前端接收上述射频信号，并通过嵌入式工控机进行信号解码和数据处理，此时信号发射结束，一组工作流程完成；

其中，S1-S6不断循环进行以实现环境参量连续监测；通过射频发射子系统向信号接收子系统间歇式发送数据，实现无线数据采集。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

（1）本发明采用柔性压电薄膜作为能量转换器件，相对传统压电晶体或压电陶瓷等无机压电材料，其刚性更低，对微小应力变化更加敏感，且具有较宽且平缓的响应频带，可有效收集农业设施运行中水流冲击、雨水滴落、设施通风气流冲刷、设施环境噪声声波等包含的能量，且柔性压电薄膜不易破碎，受到重击、强烈震动或机械过载后性能衰减小，应用于畜牧设施中可有效收集动物活动踩踏产生的能量，且对踩踏力度兼容性更优，同时兼顾发电效率和使用寿命；

（2）本发明将多个纳米压电组件集成封装在高分子弹性薄膜内制成柔性压电薄膜，可弯曲使用，相对传统压电片，本发明的柔性压电薄膜可安装在任意表面，且方便与设施内薄膜结构集成，形成功能复合结构。此外，本发明的纳米压电组件包含多个由驻极体高分子材料制备的压电膜片，每个压电膜片属于二维纳米薄膜，基于其极低的厚度实现对微小形变的高灵敏性。纳米压电组件芯部由高分子弹性体掺杂压电晶体微颗粒复合材料的方法制备，压电晶体微颗粒均匀分布在片状高分子弹性体内部，相对大尺寸压电晶体，该方法实现了更宽的相应频带，避免机电耦合失谐带来的效率下降。基于上述方法，本发明相对传统压电材料实现了更优的转化效率与机电耦合特性；

（3）本发明采用具有电容式转换电路的微能量收集器，其输入阻抗高，输入电压范围更宽，易与柔性压电薄膜兼容，实现不同工况下对微弱电力的有效收集，同时相对传统buck-boost转换器，本发明方法无需磁性元件，仅需要小尺寸的陶瓷电容作为电荷转移电容器即可工作，具有更优的性价比，且体积更小便于实现片上集成。此外本发明采用主蓄能电容器作为电力储存组件，相对可充电电池具有更优的循环寿命，且允许经常性的深度放电，长期储存或待机时不存在最有电压范围，其在0V至V+电源轨间的任意电压均可安全运行，相对传统蓄电池组件可靠性更优，适宜农业场景免维护运行。同时，本发明采用的电容式转换电路，可通过多组薄型贴片电容器组合的方式，灵活调节容量与机械尺寸，具有更优的应用场景兼容性；

（4）本发明采用高阻抗电桥式传感器作为环境参量感知组件，相对传统分压式电阻网络静态电流更小，实现了更优的节电特性，有助于本发明在完全自供能的条件下连续运行。同时，本发明采用的电桥结构具有更高的灵敏度与信噪比，简化了后级放大电路，降低其复杂度与运行能耗。此外，本发明基于半导体电阻器件和功能复合材料制备具有高敏感特性的电阻式传感器，可实现对温度、相对湿度、光通量、光谱分布、气体环境或机械作用力等农业环境参量的快速低功耗检测，且上述敏感组件可进行功能集成，实现微型化多功能探测组件；

（5）本发明采用多通道单向射频通信的方法，实现信号接收子系统与射频发射子系统间的无线通信，相对单一信道模式或交互式双向通信方法，本发明的方法具有更高的传感器节点承载量与更优的能效比，可利用有限的自供能电力实现较大的覆盖范围。同时本发明采用的无线环境参量读取方法，实现了传感器节点的无线化，一方面，免除了现场通讯线路布线，另一方面，该方法可实现集中远程读取，相对近场RFID技术或近场毫米波技术，其操作过程无需靠近传感节点，简化了操作流程，且对农业生产干扰更小，实现无感环境监测；

（6）本发明采用精密差分放大器、电压基准源、微功耗模数转换器、静态存储器和微功耗控制器构成的超低功耗传感子系统驱动并读取高阻抗传感器，上述组件通过发电控制器输出的待机电源持续工作，实现相对连续的环境参量感知；通过微功耗控制器控制射频发射子系统间歇式工作，实现远距离传感数据发送，基于该方法将微功耗的传感运行阶段与高耗能的射频发射阶段解耦合，实现了更优的自供能利用效率。相对传统间断式运行传感器，本发明具有更高的环境感知实时性，避免了采样率过低带来的弊端。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统功能的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的高阻抗传感器电气原理图；

图3是根据本发明实施例提供的纳米压电组件结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的微能量收集器原理示意图；

图5是根据本发明实施例提供的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统的控制方法流程图。

其中的附图标记包括：

1-柔性压电薄膜；2-发电控制器；3-超低功耗传感子系统；4-射频发射子系统；5-射频天线；6-信号接收子系统；7-纳米压电组件；8-微能量收集器；9-电荷转移电容器；10-主蓄能电容器；11-高阻抗传感器；12-精密差分放大器；13-电压基准源；14-微功耗模数转换器；15-静态存储器；16-微功耗控制器；17-嵌入式工控机；18-网络端口适配器；19-射频前端；20-电阻式传感器；21-参比电阻器；22-高稳定性电阻器；23-匹配电阻；24-平衡微调电阻器；25-传感器电器接口；26-外层柔性电极；27-纳米压电材料；28-内层柔性电极；29-整流器；30-主电容充放电控制器；31-电源输出控制器；32-逻辑适配器；33-控制逻辑接口；34-电源输出接口。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参阅图1，本发明提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，具体，包括柔性压电薄膜1、发电控制器2和环境参量传感装置；

所述柔性压电薄膜1内部封装多个呈串联连接的纳米压电组件7，所述发电控制器2包括与所述柔性压电薄膜1连接的微能量收集器8、与所述微能量收集器8连接的电荷转移电容器9、以及与所述微能量收集器8连接的主蓄能电容器10；

所述环境参量传感装置包括与所述微能量收集器8连接的超低功耗传感子系统3、与所述超低功耗传感子系统3连接的高阻抗传感器11；

所述发电控制器2控制所述微能量收集器8启动收集多个所述纳米压电组件7的交变信号并根据所述交变信号控制所述电荷转移电容器9达到预充能状态，所述超低功耗传感子系统3根据所述预充能状态驱动所述高阻抗传感器11检测环境参量。

本实施例中，所述超低功耗传感子系统3包括与所述高阻抗传感器11连接的精密差分放大器12、电压基准源13、微功耗模数转换器14、静态存储器15和微功耗控制器16，所述精密差分放大器12与所述微功耗模数转换器14、所述微功耗控制器16连接，所述微功耗模数转换器14与所述微功耗控制器16、所述静态存储器15、所述电压基准源13连接，所述微功耗控制器16连接至所述微能量收集器8、所述静态存储器15；所述精密差分放大器12将所述高阻抗传感器11的电桥差分信号转化为幅值适宜的共模信号，所述微功耗模数转换器14对所述共模信号进行数字化采样并转化为所述静态存储器15和所述微功耗控制器16可接受的数字信号，所述电压基准源13用于向所述微功耗模数转换器14提供稳定的参考电压，所述微功耗控制器16对所述静态存储器15进行读写操作，所述微功耗控制器16用于控制所述发电控制器2和所述超低功耗传感子系统3的工作状态。基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统还包括射频发射子系统4、射频天线5和信号接收子系统6，所述射频发射子系统4与所述微功耗控制器16连接，所述射频发射子系统4间歇式运行发送所述环境参量传感装置的传感数据，所述信号接收子系统6通过所述射频天线5远程无线接收所述传感数据，所述主蓄能电容器10向所述射频发射子系统4提供短时大电流以发射远距离射频信号。所述信号接收子系统6包括嵌入式工控机17、网络端口适配器18和射频前端19，所述网络端口适配器18、所述射频前端19与所述嵌入式工控机17连接，所述射频前端19通过单向视频信道侦听方式接收所述射频天线5发射的射频信号，所述嵌入式工控机17对所述射频信号进行解码以获取对应的传感数据。

需要说明的是，柔性压电薄膜1包含多个纳米压电组件7，纳米压电组件7呈串联关系电气连接，通过压电效应将机械能转化为电能。发电控制器2具有一个电能输入口与两个电能输出口，发电控制器2的电能输入口与柔性压电薄膜1电气连接，用于采集柔性压电薄膜1在变压力波或变应力-应变状态下产生的电能。发电控制器2由微能量收集器8、电荷转移电容器9和主蓄能电容器10构成，电荷转移电容器9和主蓄能电容器10分别与微能量收集器8电气连接，电荷转移电容器9用于临时储存来自柔性压电薄膜1的微弱电能，并在达到设定电压后通过微能量收集器8向主蓄能电容器10充电，主蓄能电容器10用于储存电能并稳定发电控制器2的输出电压。精密差分放大器12用作超低功耗传感子系统3的信号输入部分并与高阻抗传感器11电气连接，精密差分放大器12可采用JFET输入级结构，获得更高的输入阻抗，并提高弱信号条件下的灵敏度。

其中，超低功耗传感子系统3可采用CMOS集成电路工艺制备，以降低运行功耗并减小电路体积。电压基准源13应具有不随供电电压变化的电压输出信号，用于向微功耗模数转换器14提供稳定的电压参考以提高系统精度。电压基准源13也可采用电流型基准，通过电阻网络转化为电压信号。微功耗模数转换器14与静态存储器15电气连接，静态存储器15临时暂存来自微功耗模数转换器14的数据码，静态存储器15也与微功耗控制器16电气连接，微功耗控制器16可实现对静态存储器15的读写操作。超低功耗传感子系统3中精密差分放大器12、电压基准源13、微功耗模数转换器14、静态存储器15和微功耗控制器16的负电位端口并联后接地，正电位端口呈并联关系电气连接，并与发电控制器2的Vsb端子电气连接，用于超低功耗传感子系统3的供电。

应理解，微功耗控制器16具有两组使能信号输出，分别与射频发射子系统4、精密差分放大器12及微功耗模数转换器14电气连接，实现对射频发射子系统4、精密差分放大器12及微功耗模数转换器14工作状态的控制。射频发射子系统4的一端与微功耗控制器16电气连接，其另一端与射频天线5电气连接，射频发射子系统4用于将来自微功耗控制器16的数字信号调制到射频载波，经放大后通过射频天线5发出射频信号，基于此实现系统的无线数据传输功能。射频发射子系统4采用低占空比间歇工作方式，减少总电能消耗，进而同时实现了高发射功率和较低的平均能耗，以适应柔性压电薄膜1较低的发电功率，并保证远距离无线数据传输的效果。信号接收子系统6可取消本地化的人机交互组件，通过网络端口适配器18连接至互联网或专用区域网络，基于联机管理软件的方法实现远程集中管理，并降低系统综合成本。射频前端19可采用分时复用或编码复用方法，实现与多个不同射频发射子系统4间的射频通信，以此提高系统容纳量。信号接收子系统6可部署在方便外部电源输入的位置或采用独立的供电单元，其运行过程不占用柔性压电薄膜1产生的电力，减少对超低功耗传感子系统3测量过程的干扰。

参阅图2，所述高阻抗传感器11包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂、以及分别连接所述第一桥臂、所述第二桥臂的传感器电器接口25，所述第一桥臂包括串联连接的电阻式传感器20和参比电阻器21，所述第二桥臂包括并联连接的匹配电阻23和平衡微调电阻器24、再串联连接的高稳定性电阻器22。

本实施例中，电阻式传感器20、参比电阻器21、高稳定性电阻器22、匹配电阻23和平衡微调电阻器24构成一个电桥结构，电阻式传感器20与参比电阻器21串联，构成电桥的一个桥臂即第一桥臂；匹配电阻23和平衡微调电阻器24先并联之后与高稳定性电阻器22串联，构成电桥的另一个桥臂；电桥的两桥臂即第一桥臂和第二桥臂采用并联关系电气连接，构成完整的桥式传感电路，之后与传感器电器接口25电气连接，用于高阻抗传感器11的供电和信号输出。

需要说明的是，在温度测量时，电阻式传感器20可采用高阻值半导体热敏电阻、热敏二极管等；电阻式传感器20可采用离子掺杂改性的亲水高分子材料制备相对湿度敏感薄膜，基于水分子吸附-解吸附平衡，改变薄膜电阻率，进而实现相对湿度测量；在光量子通量的测量时，电阻式传感器20可采用半导体光敏电阻或半导体光敏三极管，同时可在电阻式传感器20外部安装合适的带通滤光片和光衰减器，以实现对特定波长范围光通量的检测或改善传感器量程；在压力和机械振动的检测时，电阻式传感器20可采用添加导电微颗粒的高分子弹性体薄膜，当受到的压力改变时，薄膜内导电颗粒距离及电流微路径发生变化，进而将机械压力调制为电阻率变化，实现压力和机械振动的检测；在微小震动的监测时，电阻式传感器20可采用金属化高分子泡沫材料或石墨烯掺杂的高分子泡沫材料以及上述材料的合理组合。参比电阻器21和高稳定性电阻器22应具有稳定的电阻值，且不随环境因素和使用时间发生变化；平衡微调电阻器24与匹配电阻23并联，用于小幅度改变匹配电阻23的等效阻抗，实现高阻抗传感器11中电桥平衡微调，以减小直流偏置失真，提高超低功耗传感子系统3的信噪比。

参阅图3，所述纳米压电组件7包括外层柔性电极26、纳米压电材料27和内层柔性电极28，所述外层柔性电极26和所述内层柔性电极28采用气相沉积-掩模版转印方法在纳米压电材料27的上、下表面原位制备电极，用于收集并传递所述纳米压电材料27在应变条件下产生的电荷。

本实施例中，所述纳米压电材料27采用驻极体高分子材料制备或高分子弹性体掺杂压电晶体微颗粒的复合材料方法制备；所述驻极体高分子材料制备过程包括：热压延法或静电场辅助沉积法制备薄膜，并通过高压电场极化实现材料的压电特性，采用多层堆叠结构提高输出电压；其中，驻极体高分子材料制备的纳米压电组件包含至少一个压电膜片，每个所述压电膜片属于二维纳米薄膜；所述复合材料方法制备过程包括：制备压电晶体微颗粒并进行预极化，与高分子弹性体基料掺混，在高压电场极化条件下固化成型，实现具有宏观压电特性的纳米压电材料27；其中，复合材料方法制备的纳米压电材料27的压电功能由纳米级压电晶体微颗粒实现，压电晶体微颗粒均匀分布在片状高分子弹性体内部，当纳米压电组件7在应力作用下发生形变，其压电晶体微颗粒的电畴方向改变，引起宏观的电荷迁移以产生电动势。

需要说明的是，纳米压电组件7具有三层架构、外层柔性电极26与内层柔性电极28分别位于纳米压电材料27的外表面与内表面，外层柔性电极26与内层柔性电极28可采用PVD或CVD工艺方法，在纳米压电材料27表面原位制备，可通过掩模版法对电极形态进行加工，实现设计需求的电气性能。基于热压延法或静电场辅助沉积法制备薄膜，并通过高压电场极化实现材料的压电特性，采用多层堆叠结构提高输出电压。基于驻极体高分子材料制备的纳米压电组件7具备一至多个压电膜片，每个压电膜片属于二维纳米薄膜，基于其极低的厚度实现对微小形变的高灵敏性。纳米压电组件7作为功能单元封装在柔性压电薄膜1内部，由前述柔性压电薄膜1提供对外界环境因素侵蚀的抗性，并提高机械强度。

参阅图4，所述微能量收集器8包括整流器29、主电容充放电控制器30、电源输出控制器31、逻辑适配器32、控制逻辑接口33和电源输出接口34，所述整流器29、所述主电容充放电控制器30、所述逻辑适配器32、所述电源输出接口34与所述电源输出控制器31连接，所述逻辑适配器32与所述控制逻辑接口33连接，所述整流器29与所述主电容充放电控制器30、所述电荷转移电容器9、所述柔性压电薄膜1连接，所述主电容充放电控制器30与所述主蓄能电容器10连接；

其中，所述整流器29将柔性压电薄膜1产生的方向、频率及振幅不断变化的交变电流转化为直流电，并通过所述电荷转移电容器9临时储存电能；所述主电容充放电控制器30控制所述主蓄能电容器10的充放电过程，所述主蓄能电容器10储存所述储存电能。

本实施例中，所述电源输出控制器31包括第一输出端口和第二输出端口；所述第一输出端口与所述电源输出接口34中的Vsb引脚连接，用于在所述整流器29达到预设门限后提供待机电源，并供给所述超低功耗传感子系统3中的电路运行；所述第二输出端口与所述电源输出接口34中的V+引脚连接，所述逻辑适配器32控制所述第二输出端口的输出状态，所述输出状态默认为关闭状态；当所述主蓄能电容器10充能完成后，所述电源输出控制器31通过所述逻辑适配器32和所述控制逻辑接口33向所述超低功耗传感子系统3中的微功耗控制器16发出就绪信号，所述微功耗控制器16根据所述就绪信号输出反馈信号并通过所述逻辑适配器32控制所述电源输出控制器31接通V+引脚输出，以向所述射频发射子系统4提供短时大电流。

需要说明的是，柔性压电薄膜1在电气特性上为一个交流电压源，整流器29与柔性压电薄膜1电气连接，用于将柔性压电薄膜1产生的方向、频率及振幅不断变化的交变电流转化为直流电。由于该直流电仍具有很强的时变性，整流器29与电荷转移电容器9电气连接，通过电荷转移电容器9临时储存电能并实现滤波作用。电荷转移电容器9采用耐压特性良好、高频损耗小且具备低ESR特性的电容器。主蓄能电容器10具有较低的漏电率和低ESR特性，以减少自放电和充放电过程中的能量损耗。主蓄能电容器10可采用固态聚合物电解电容或高性能超级电容以及其合理的组合，组合是指通过有限数量电容器元件通过有限次数串联和并联组成电容器组的过程。

具体地，电源输出控制器31采用低损耗固态开关器件，具备两路输出，其中一路即第一输出端口与电源输出接口34中的Vsb引脚电气连接，用于在整流器29达到预设门限后提供待机电源，供给超低功耗传感子系统3中的电路运行；电源输出控制器31中的另一路输出即第二输出端口与电源输出接口34中的V+引脚电气连接，其输出过程受到逻辑适配器32控制，默认为关闭状态。当主蓄能电容器10充能完成后，电源输出控制器31通过前述逻辑适配器32和控制逻辑接口33向超低功耗传感子系统3中的微功耗控制器16发出就绪信号，微功耗控制器16根据程序判断并输出反馈信号，通过逻辑适配器32控制电源输出控制器31，接通V+输出，向前述射频发射子系统4提供短时大电流，满足其远距离射频发射所需的电功率。

再次参阅图1至图5，本发明还提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统的控制方法，包括以下步骤：

S0：首先将本发明中信号接收子系统6开机并设置侦听模式，柔性压电薄膜1和高阻抗传感器11部署在农业设施环境内；

S1：柔性压电薄膜1受到灌溉系统水流冲刷、设施通风系统气流冲击、设施环境噪声或畜禽场中动物活动踩踏中的至少一种机械作用力，柔性压电薄膜1中的纳米压电组件7产生形变，通过压电效应输出交变信号；

S2：发电控制器2启动微能量收集过程，向电荷转移电容器9充电，若电荷转移电容器9达到电压阈值，此时预充能正常；若尚未达到电压阈值，则继续进行微能量收集过程，直至电荷转移电容器9达到电压阈值；

S3：若电荷转移电容器9预充能正常，此时执行传感器读取流程：微功耗控制器16运行，按程序通过超低功耗传感子系统3测量高阻抗传感器11的信号，实现环境参数感知，此时微功耗控制器16将测得数据打包，临时存放在静态存储器15；

S4：存储数据完成后，微功耗控制器16访问发电控制器2中的微能量收集器8，获取主蓄能电容器10的充能状态，若主蓄能电容器10充能不足，则继续执行传感器读取流程，直至主蓄能电容器10充能正常；

S5：若主蓄能电容器10充能正常，微功耗控制器16将使能发电控制器2的V+输出，射频发射子系统4得电运行，同时微功耗控制器16将静态存储器15中临时存放的数据发送至射频发射子系统4，并触发射频发射子系统4通过射频天线5发射信号；

S6：信号接收子系统6通过射频前端19接收上述射频信号，并通过嵌入式工控机17进行信号解码和数据处理，此时信号发射结束，一组工作流程完成；

其中，S1-S6不断循环进行以实现环境参量连续监测；通过射频发射子系统4向信号接收子系统6间歇式发送数据，实现无线数据采集。

本实施例中，超低功耗传感子系统3连续驱动高阻抗传感器11检测环境参量，射频发射子系统4间歇式运行发送传感数据，信号接收子系统6远程无线接收传感数据的方法，充分利用柔性压电薄膜1产生的微小能量并且降低系统工作平均能耗，实现传感装置的自供电和无线数据采集。

本发明提供了一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统及其控制方法，发电控制器2采用电荷转移方法实现电压稳压和阻抗变换，微能量收集器8驱动电荷转移电容器9和主蓄能电容器10配合运行，发电控制器2不使用磁性元件，降低硬件成本和体积。柔性压电薄膜1与发电控制器2中的微能量收集器8电气连接，微能量收集器8分别与电荷转移电容器9和主蓄能电容器10电气连接，电荷转移电容器9用于临时储存电荷并实现电源滤波；主蓄能电容器10用于储存射频发射子系统4运行所需的电能。高阻抗传感器11与超低功耗传感子系统3内部的精密差分放大器12电气连接，高阻抗传感器11与超低功耗传感子系统3相配合构成环境参量传感装置。高阻抗传感器11具有桥式电路结构，通过高阻抗方法减少静态电流，采用电桥方法提高灵敏度，基于半导体电阻和功能复合材料制备具有敏感特性的电阻式传感器20，可实现对温度、相对湿度、光通量、光谱分布、气体环境或机械作用力等农业环境参量的快速低功耗检测。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，包括柔性压电薄膜、发电控制器和环境参量传感装置；

所述柔性压电薄膜内部封装多个呈串联连接的纳米压电组件，所述发电控制器包括与所述柔性压电薄膜连接的微能量收集器、与所述微能量收集器连接的电荷转移电容器、以及与所述微能量收集器连接的主蓄能电容器；

所述环境参量传感装置包括与所述微能量收集器连接的超低功耗传感子系统、与所述超低功耗传感子系统连接的高阻抗传感器；

所述发电控制器控制所述微能量收集器启动收集多个所述纳米压电组件的交变信号并根据所述交变信号控制所述电荷转移电容器达到预充能状态，所述超低功耗传感子系统根据所述预充能状态驱动所述高阻抗传感器检测环境参量；

所述超低功耗传感子系统包括与所述高阻抗传感器连接的精密差分放大器、电压基准源、微功耗模数转换器、静态存储器和微功耗控制器，所述精密差分放大器与所述微功耗模数转换器、所述微功耗控制器连接，所述微功耗模数转换器与所述微功耗控制器、所述静态存储器、所述电压基准源连接，所述微功耗控制器连接至所述微能量收集器、所述静态存储器；

所述精密差分放大器将所述高阻抗传感器的电桥差分信号转化为幅值适宜的共模信号，所述微功耗模数转换器对所述共模信号进行数字化采样并转化为所述静态存储器和所述微功耗控制器可接受的数字信号，所述电压基准源用于向所述微功耗模数转换器提供稳定的参考电压，所述微功耗控制器对所述静态存储器进行读写操作，所述微功耗控制器用于控制所述发电控制器和所述超低功耗传感子系统的工作状态；

所述基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统还包括射频发射子系统、射频天线和信号接收子系统，所述射频发射子系统与所述微功耗控制器连接，所述射频发射子系统间歇式运行发送所述环境参量传感装置的传感数据，所述信号接收子系统通过所述射频天线远程无线接收所述传感数据，所述主蓄能电容器向所述射频发射子系统提供短时大电流以发射远距离的射频信号。

2.如权利要求1所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述信号接收子系统包括嵌入式工控机、网络端口适配器和射频前端，所述网络端口适配器、所述射频前端与所述嵌入式工控机连接，所述射频前端通过单向视频信道侦听方式接收所述射频天线发射的射频信号，所述嵌入式工控机对所述射频信号进行解码以获取对应的传感数据。

3.如权利要求1所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述微能量收集器包括整流器、主电容充放电控制器、电源输出控制器、逻辑适配器、控制逻辑接口和电源输出接口，所述整流器、所述主电容充放电控制器、所述逻辑适配器、所述电源输出接口与所述电源输出控制器连接，所述逻辑适配器与所述控制逻辑接口连接，所述整流器与所述主电容充放电控制器、所述电荷转移电容器、所述柔性压电薄膜连接，所述主电容充放电控制器与所述主蓄能电容器连接；

其中，所述整流器将柔性压电薄膜产生的方向、频率及振幅不断变化的交变电流转化为直流电，并通过所述电荷转移电容器临时储存电能；所述主电容充放电控制器控制所述主蓄能电容器的充放电过程，所述主蓄能电容器储存所述储存电能。

4.如权利要求3所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述电源输出控制器包括第一输出端口和第二输出端口；

所述第一输出端口与所述电源输出接口中的Vsb引脚连接，用于在所述整流器达到预设门限后提供待机电源，并供给所述超低功耗传感子系统中的电路运行；

所述第二输出端口与所述电源输出接口中的V+引脚连接，所述逻辑适配器控制所述第二输出端口的输出状态，所述输出状态默认为关闭状态；

当所述主蓄能电容器充能完成后，所述电源输出控制器通过所述逻辑适配器和所述控制逻辑接口向所述超低功耗传感子系统中的微功耗控制器发出就绪信号，所述微功耗控制器根据所述就绪信号输出反馈信号并通过所述逻辑适配器控制所述电源输出控制器接通V+引脚输出，以向所述射频发射子系统提供短时大电流。

5.如权利要求1所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述纳米压电组件包括外层柔性电极、纳米压电材料和内层柔性电极，所述外层柔性电极和所述内层柔性电极采用气相沉积-掩模版转印方法在纳米压电材料的上、下表面原位制备电极，用于收集并传递所述纳米压电材料在应变条件下产生的电荷。

6.如权利要求5所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述纳米压电材料采用驻极体高分子材料制备或高分子弹性体掺杂压电晶体微颗粒的复合材料方法制备；

所述驻极体高分子材料制备过程包括：热压延法或静电场辅助沉积法制备薄膜，并通过高压电场极化实现材料的压电特性，采用多层堆叠结构提高输出电压；其中，驻极体高分子材料制备的纳米压电组件包含至少一个压电膜片，每个所述压电膜片属于二维纳米薄膜；

所述复合材料方法制备过程包括：制备压电晶体微颗粒并进行预极化，与高分子弹性体基料掺混，在高压电场极化条件下固化成型，实现具有宏观压电特性的纳米压电材料；其中，复合材料方法制备的纳米压电材料的压电功能由纳米级压电晶体微颗粒实现，压电晶体微颗粒均匀分布在片状高分子弹性体内部，当纳米压电组件在应力作用下发生形变，其压电晶体微颗粒的电畴方向改变，引起宏观的电荷迁移以产生电动势。

7.如权利要求1所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，其特征在于，所述高阻抗传感器包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂、以及分别连接所述第一桥臂、所述第二桥臂的传感器接口，所述第一桥臂包括串联连接的电阻式传感器和参比电阻器，所述第二桥臂包括并联连接的匹配电阻和平衡微调电阻器、再串联连接的高稳定性电阻器。

8.一种基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统的控制方法，应用于权利要求4所述的基于柔性纳米压电材料的自供能农业环境传感系统，包括以下步骤：

S1：柔性压电薄膜受到灌溉系统水流冲刷、设施通风系统气流冲击、设施环境噪声或畜禽场中动物活动踩踏中的至少一种机械作用力，柔性压电薄膜中的纳米压电组件产生形变，通过压电效应输出交变信号；

S2：发电控制器启动微能量收集过程，向电荷转移电容器充电，若电荷转移电容器达到电压阈值，此时预充能正常；若尚未达到电压阈值，则继续进行微能量收集过程，直至电荷转移电容器达到电压阈值；

S3：若电荷转移电容器预充能正常，此时执行传感器读取流程：微功耗控制器运行，按程序通过超低功耗传感子系统测量高阻抗传感器的信号，实现环境参数感知，此时微功耗控制器将测得数据打包，临时存放在静态存储器；

S4：存储数据完成后，微功耗控制器访问发电控制器中的微能量收集器，获取主蓄能电容器的充能状态，若主蓄能电容器充能不足，则继续执行传感器读取流程，直至主蓄能电容器充能正常；

S5：若主蓄能电容器充能正常，微功耗控制器将使能发电控制器的V+输出，射频发射子系统得电运行，同时微功耗控制器将静态存储器中临时存放的数据发送至射频发射子系统，并触发射频发射子系统通过射频天线发射信号；

S6：信号接收子系统通过射频前端接收射频信号，并通过嵌入式工控机进行信号解码和数据处理，此时信号发射结束，一组工作流程完成；

其中，S1-S6不断循环进行以实现环境参量连续监测；通过射频发射子系统向信号接收子系统间歇式发送数据，实现无线数据采集。