无线网络节点的微能源电源设计

无线传感器网络(WSNs)是无线网络的多种表现形式之一。面对目前的无线网络节点的续航难问题,本设计提出了一种利用微能源为无线传感网络节点提供供电的研究方案。本文采用压电陶瓷片作为能量的主要来源,选择采用专业的压电能量采集芯片LTC-3588进行构建电源电路,设计了无线网络节点终端。     

一种基于新型欠压闭锁电路的能量收集方法

目前自供电无线压电传感器网络已被广泛应用在智能家居及环境监测等领域。组成网络的每个压电传感器节点需要完成不同功耗的任务,如数据采集、存储等低功耗任务和数据无线传输的高功耗任务。针对低功耗和高功耗任务,该文设计了基于新型欠压闭锁电路的双模组能量收集电路,电路具有蓄能周期短和容量大的特点,可分别用于低功耗任务的低功耗级蓄能模组和高功耗任务的高功耗级蓄能模组,解决了传统单模组能量收集电路因压电传感器节点工作时能量不足或充电过于频繁导致传感器网络无法正常工作的问题。实验结果表明,采用新型欠压闭锁电路的能量收集电路最短蓄能周期仅10 min,能量收集电路最长可驱动压电传感器节点在高功耗模式下工作52 s,是解决自供电无线压电传感器网络能量供给问题的有效办法。     

基于压电振动能量采集器的无线监测传感节点

环境振动状况监测对设备的安全运营至关重要。通过压电振动能量采集器可实现对环境振动信息的感知,再经过智能信息处理方法无线监测设施的安全运营状态。将无线传感与深度学习相结合,在充分研究压电振动能量采集器输出信号特征的基础上,提出了优化的卷积神经网络模型,用于识别环境异常振动模式,并设计实现了智能感知无线监测传感节点。系统工作时,节点可监测环境振动、温度信息并报警异常事件。测试结果表明, 该传感节点在无线传输距离超过100 m 的情况下,实现了环境振动事件的实时监测,报警时间小于5 s,环境振动模式识别准确率可达95．7%,监测环境温度状况并准确报警异常燃烧事件的时间小于3．7 s。该节点在野外目标监测等场合有广泛的应用前景。     

MEMS自供能压电电磁集成发电研究现状

压电电磁集成发电是指利用功能材料的压电效应和法拉第电磁感应定律设计压电和电磁两种能量转换方式的集成结构,实现环境振动机械能向电能转换。描述了压电电磁集成微能源技术的原理和特点,介绍了压电电磁集成发电理论建模过程,分析了国内外关于集成微电源结构的设计及优化,概况了各种压电电磁集成发电结构的特点。介绍了各种集成结构的集成化加工技术,包括压电梁制作、感应线圈制作和压电电磁系统集成。最后对压电电磁集成发电存在的技术问题进行了分析,新型集成自供能微能源研究将提高能量收集效率并实现与无线传感节点集成供能。     

基于模糊聚类的传感网络失效节点检测

针对当无线传感网中的传感节点分配随机性较强,节点能量不能得到有效的补充,一旦节点能量耗尽,会造成节点失效.传统检测方法因为无法准确提取节点失效特征,造成失效节点检测的准确度不高.为了解决这一问题,提出一种基于模糊聚类失效节点搜索的检测算法,通过计算无线传感节点能量消耗的特征模糊聚类概率,运用模糊概率判定失效节点位置.实验证明,该方法能有效的对无线传感网络中失效节点进行检测,取得了不错的效果.     

PVDF纳米纤维在微流体中的压电能量收集特性研究

供电系统尺寸过大、寿命较短且需频繁充电的问题已成为当前无线传感和物联网领域亟待解决的关键问题。基于压电纳米材料的微型能量收集器件可将环境中富余的机械能高效地转换成电能,构建自供电的无线传感系统。本文采用静电纺丝技术制备高长径比聚偏氟乙烯(PVDF)压电纳米纤维,通过调整静电纺丝过程中前驱体溶液的浓度实现了对纳米纤维压电?物相含量的调控。结果表明,压电?相的含量会随着前驱液浓度的增加而提高,在浓度为0.13 g/m L时达到最大。当浓度进一步增加,?相含量逐渐降低。所得PVDF纳米纤维能量收集器件具有良好的压电发电性能,在外力作用下可产生约1.6 V的脉冲电输出。将PVDF纳米纤维与微流控芯片进行集成,通过采集液滴流动时所产生机械能,实现了连续的动态压电输出,输出电压峰峰值约为0.2 V。这种液相环境中对流体机械能的高效采集有望推动压电纳米纤维能量收集器件在微流控传感系统中的应用。     

无线传感网死亡节点优化避绕方法研究与仿真

无线传感网络的节点部署随机性很强,每个节点的利用率不同,经常用到的节点可能会能量耗尽死亡,传统的网络协议将传感网络随机分为不同的簇,簇头能量很微弱的节点可能仍被选为簇头,造成了节点死亡,其没有避绕死亡节点的机制,造成通讯稿效率不高.为此提出微粒群优化LEACH的无线传感网络通信优化方法,结合LEACH的优点,簇头选择时使用微粒群的高度智能优化的特点将簇头当前能量与原始能量作为选择因素构造目标函数.通过适应度值避让节点中的死亡节点.实验仿真结果证明,簇头微粒群优化后传感网络能量损耗大大降低,死亡节点通信数目也变小.提高了通讯效率.     

基于网格的移动无线传感网生存时间优化算法

为克服陆地静态无线传感网和水下无线传感网因节点能耗分布不均衡而出现的能量空穴问题,和具有单一移动Sink节点的无线传感网数据收集时延过长问题,该文提出基于网格的移动无线传感网生存时间优化算法(Grid-based Lifetime Optimization Algorithm,GLOA)。GLOA算法考虑多个Sink节点的移动,将监测区域分成多个大小相同的网格。根据网格潜能值确定Sink节点移动的锚点,将锚点分配给不同的Sink节点,建立路径选择优化模型并获得Sink节点的最短移动路径,采用移动收集方法或静态收集方法循环收集数据。仿真结果表明:与Ratio_w或TPGF算法相比,GLOA算法能延长网络生存时间,降低和均衡节点能耗。与LOA_SMSN算法相比,GLOA算法能降低数据收集时延。在一定的条件下,比Ratio_w,TPGF和LOA_SMSN算法更优。     

无线传感器网络的能效分析

能量效率是衡量无线传感器网络性能最重要的指标,介绍了无线传感器网络节点结构,分析了无线传感器节点的主要能耗源.讨论动态能量管理和动态电压调整等提高传感节点能效的技术,从物理层、链路层、网络层、传输层等层次论述了无线传感器网络拓扑所采用的能效机制,最后对功率控制技术进行了分析.     

基于能量监测的传感器信任评估方法研究

目前解决无线传感网节点安全的方式多种多样,无线传感器也将随着物联网的发展而呈现多样化.根据物联网传感层的特点和其特有的安全问题,本文提出了一种基于能量监测的信任评估方法来解决无线传感网节点的信任问题.该方法首先针对无线传感器能耗情况,创建了传感器能量监测机制;然后,根据监测能量机制中的监测信息,通过互相关系数方法分析计算,得出传感器所处的几种信任度;最后,对传感器进行信任评估,并给出评估结果.仿真对比结果表明,本文提出的方法具有较高的准确性.     

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路).在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能.由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电.实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305 μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率.     

一种采用频率变换的自供电电源管理电路

 在低频率条件下,采用直接阻抗匹配的原理,设计的压电材料换能器电源管理电路,匹配电感值很大.本文采用频率变换,设计了一种自供电电源管理电路.分析了频率变换的原理.将低频信号变换至较高频率,匹配电感值很小,有利于电路的小型化.该管理电路还可以在宽频带内对于压电换能器实现匹配.实验结果表明,电路实现了频率变换,匹配电感值和电路体积都大大减小.电源管理电路的最大采集功率为181.6mW,能量采集效率可以达到44.8%.当0.47法拉的储能电容电压为1.13V时,该电路最大放电功率可达110mW,放电时间持续620ms,能够驱动无线传感器在一个周期内正常工作.     

压电发电微电源国外研究进展

微加工技术极大地促进了各类传感器系统的微型化、集成化,使微机电系统(MEMS)功能越来越强,功耗、体积越来越小,而微能源部分却日益成为MEMS微型化设计的瓶颈。该文系统介绍了一种在MEMS应用中有极具发展潜力的能源供应方式——压电微能源。压电微能源可通过收集环境能量来发电,具有长寿命、高能量密度、与MEMS工艺兼容等优点,在微系统中具有广泛的应用前景。     

基于微尺度压电振动发电机的微电源设计

为弥补传感器网络传统供电存在的不足,该文设计了一种基于微尺度压电发电机的微电源,其可有效拾取周围环境中的振动能量,从而为低功耗的传感器系统提供电能。该电源由具有微尺度效应的微振动发电机与外部高效的无源峰值监测开关电路集成而得,结合Matlab仿真分析可知,其输出电压可达0.24V;无源峰值监测开关电路能保证压电片间电荷的全部输出,与具有经典接口的微电源相比其输出功率提高了3倍。     

用于传感器节点供电的压电振动发电机研究

悬臂梁式压电振动发电机是一种新型的供电装置,可广泛应用于无线传感器网络节点进行供电.首先建立以悬臂梁为结构方式的压电振动换能器的模型;然后从遗传算法和田口稳健设计的理论方法出发,以输出平均功率为优化目标的对换能器进行稳健优化设计;接着以钽电容和稳压二极管为核心设计了换能器的能量收集电路,最后用优化后的参数制成样机进行测试.测试结果证明,该发电机完全能满足功耗为50 μW的传感器节点的使用要求,验证了该研究方案的可行性.     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

多方向压电振动能量收集技术研究与进展

煤矿井下综采设备工作时会产生较大振动,利用压电振动能量收集系统实现煤矿综采设备无线监测节点自供电,有望解决传统化学电池使用寿命有限,更换困难,污染环境等问题。传统线性能量收集装置的谐振频率难以满足外界振动复杂多变的要求,导致俘能效率低下。如何提高压电振动系统俘能效率是一个亟待解决的问题。多方向是提高复杂振动环境压电俘能效率的有效途径。该文从击打式和悬臂梁式两种能量转换方式总结分析国内外学者在多方向振动能量收集方面的研究,从阵列式、自调谐、非线性、频率泵浦、弹性放大器等方面分析多方向振动能量收集系统的效率提升技术;最后,从采用新型压电材料提升俘能效率、考虑非线性和多场耦合动力学优化俘能结构、工程应用研究等方面对多方向压电能量收集技术进行了展望。     

High‐Temperature BiScO3‐PbTiO3 Piezoelectric Vibration Energy Harvester

Conventionally, effective mechanical vibration energy harvesting is based on (Pb,Zr)TiO₃ (PZT) ceramics, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymers or PVDF/PZT or other piezoelectric composite materials, and their working temperature is normally limited to room temperature (R‐T) or below 150 °C. Here, bismuth scandium lead titanate (BiScO₃‐PbTiO₃, abbreviated as BSPT) ceramic is reported which has a high Curie temperature point around 450 °C and its application for high‐temperature (H‐T) vibration energy harvesting. Experimental results show that it exhibits an excellent H‐T piezoelectricity, converting mechanical vibration energy into electric power effectively in a wide temperature range from R‐T till 250 °C. This research shows the BSPT piezoelectric energy harvester having the potential application for self‐power source of wireless sensor network system in high temperature circumstance.