寬帶低頻振動能采集器驅動的無線傳感節點

賀學鋒，李思宇，張 闖，齊 睿

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寬帶低頻振動能采集器驅動的無線傳感節點

賀學鋒1,2，李思宇1,2，張 闖1，齊 睿1

(1. 重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室 重慶 沙坪壩區 400044；2. 重慶大學微系統研究中心 重慶 沙坪壩區 400044)

提出一種自供能的無線溫濕度傳感節點，其主要由振動能采集器、電源管理電路、微控制器、溫濕度傳感器和無線收發模塊構成，無線傳感節點由一個帶滾珠的低頻寬帶振動能采集器供電。當加速度的幅值頻率分別為9.8 m/s2和18.4 Hz，負載為140 kΩ時，采集器一根壓電梁的輸出功率為0.51 mW，半功率帶寬為17.8%或3.8 Hz。電源管理電路包括LTC3588-1芯片、LT3009芯片和一個2 200 μF的電容，微控制器采用低功耗MSP430F149單片機，無線收發模塊采用nRF24L01。實驗結果表明，當外界環境振動加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時，該節點均可正常測量并發送環境的溫濕度信息，只是時間間隔由848 s縮短為60.2 s。采集器的寬帶低頻特征使該無線傳感節點可應用于多種環境。

寬頻帶; 能量采集器; 低頻; 振動; 無線傳感節點

與傳統電池相比，將環境中廣泛存在的機械能轉換成電能的微型能量采集器具有體積小、質量輕、壽命長以及無需更換等特點，是無線傳感節點的一種理想電源[1-2]。近年來基于壓電效應[3-5]、電磁感應[6-7]和靜電效應[8-9]的振動能采集器已成為國內外微能源研究的熱點。對基于諧振機理的振動能采集器而言，若其固有頻率偏離環境振動頻率，輸出功率將急劇降低[10-12]。自然環境中的振動能(如樹枝擺動、橋梁振動等)大多具有寬帶、低頻特征，因此，研究寬帶、低頻的振動能采集器具有重要意義。文獻[13]設計了一種利用碰撞擴大帶寬的低頻電磁式振動能采集器，當激勵加速度幅值為1 g，頻率在10～60 Hz之間變化時，采集器的輸出功率均大于10 μW，在30 Hz時輸出功率最大，約為60 μW。文獻[14]設計了一種低頻振動能采集器，當環境振動頻率為30 Hz，加速度幅值為30 m/s2時，采集器最大輸出功率為131 μW[14]。文獻[15]提出了一種寬帶低頻振動能采集器，利用碰撞將環境中的低頻振動能轉換為懸臂梁的高頻振動能，實現了利用高頻結構采集環境低頻振動能的目的，在幅值為15 m/s2，頻率為37 Hz的加速度激勵下的最大輸出功率為602 μW[15]。

溫濕度監測在環境監測和工業控制等領域應用廣泛，針對以上需求，本文設計了一個自供能的無線溫濕度傳感節點，該傳感節點由一個寬帶低頻振動能采集器供電。在分析采集器結構參數對其輸出性能影響的基礎上確定了采集器的結構參數，根據采集器電學輸出的特點和溫濕度傳感器對電源的要求設計了電源管理電路及一個自供能的無線溫濕度傳感節點，并通過實驗分析了該無線傳感節點的性能。

1 振動能采集器的結構和優化

圖1為采集器的原理圖[15]。采集器由兩根壓電懸臂梁、支座、滾珠構成，其中滾珠位于支座的滑道中。壓電梁安裝于支座兩側，一端固定于支座上，另一端自由。圓柱形滑道橫向貫穿支座，正對懸臂梁自由端，位于圓柱形滑道中的滾珠能沿滑道軸向自由滾動在平行于滑道的低頻振動作用下，滾珠在滑道內滾動，在滑道出口處于壓電懸臂梁發生碰撞，碰撞后該壓電懸臂梁將發生振動，而滾珠返回滑道并向另一側的懸臂梁方向滾動。壓電懸臂梁的振動將導致其壓電層應力交替變化，由于壓電效應，在壓電層的上、下表面電極之間將產生一個交變電勢差，利用該電勢差可以為無線傳感節點等供電。

圖1 振動能采集器原理圖

圖2 振動能采集器原理樣機

為了對采集器的性能進行分析，制作了原理樣機，其中一個樣機如圖2所示。采集器的壓電梁采用Pizeo Systems Inc公司的T215-A4-203X壓電片。該壓電片有3層結構，上、下層均為PZT壓電膜，中間層為銅，兩個壓電層串聯輸出。懸臂梁長31.8 mm，寬6.4 mm，厚0.38 mm，每個壓電層的厚度為0.139 mm，銅片厚度為0.102 mm。為了分析滑道長度對采集器電學性能的影響，制作了4個支座，制作的長度為32 mm，高度為18 mm，寬度分別為9、11、13和15 mm (該寬度即為滑道長度)。采用直徑為6和8 mm的滾珠研究了滾珠大小對采集器電學性能的影響。為了確保滾珠不會從滑道中掉落，同時使懸臂梁在振動過程中不會與支座發生碰撞，將懸臂梁自由端與滑道出口的間距設置為1 mm左右。

在圖3所示的測試平臺上對采集器的性能進行了測試。測試平臺由示波器、功率放大器、加速度計、振動臺和振動能采集器構成。加速度計安裝于振動臺上，用于監測振動臺的加速度，采集器的滑道位于水平方向并與振動臺振動方向平行，從示波器自帶的信號發生器輸出的簡諧電壓信號經功率放大器放大后驅動振動臺，使振動臺產生簡諧振動，進一步作用于采集器上。振動臺的加速度和采集器的電學輸出可以直接顯示在示波器上。

圖3 測試平臺

首先在滑道內不放滾珠，對采集器壓電懸臂梁自身的特性進行了測試。當保持加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增大到300 Hz時，測得一根懸臂梁的開路電壓和對70 k?負載的輸出功率如圖4所示。當激勵頻率為244.5 Hz時，開路電壓有效值最大，為4.61 V，這表明采集器的開路頻率約為244.5 Hz。當接70 k?電阻負載，激勵頻率為242 Hz時，采集器的輸出功率最大，約為34.5 μW，半功率帶寬為6.6%。當加速度振動頻率偏離采集器固有頻率時，輸出功率急劇下降，當振動頻率降低為50 Hz，采集器對70 k?電阻負載的輸出功率僅為43.6 nW。

圖4 加速度1 g時開路電壓和功率隨頻率的變化

振動加速度幅值為1 g，滾珠直徑為8 mm，電學負載電阻為140 kW，加速度頻率從5 Hz增大到35 Hz時，單個懸臂梁的輸出功率與滑道長度之間的關系如圖5所示。采集器的滑道長度分別為9、11、13和15 mm，相應加速度頻率為34、23.2、20和18.4 Hz時，輸出功率最大，分別為0.22、0.37、0.41和0.51 mW；半功率帶寬分別為20.6%、17.8%、22%和20.7%，即分別為7.0、4.1、4.4和3.8 Hz。由以上實驗可知，隨著滑道長度的增加，采集器產生最大功率輸出所對應的激勵頻率有所降低。

圖5 滑道長度不同時輸出功率隨頻率的變化

振動加速度幅值為1 g，滑道長度為15 mm，負載電阻為140 kW，加速度頻率由5 Hz增加到30 Hz時，單個懸臂梁的輸出功率和滾珠直徑之間的關系如圖6所示。滾珠直徑分別為6和8 mm，相應的加速度頻率為14.6和18.4 Hz時，采集器輸出功率最大，分別為0.15和0.51 mW，半功率帶寬為20.5%和20.7%。由此可見，隨著滾珠直徑的增大，滾珠的質量增大，從而可以將更多的環境振動能通過碰撞轉換懸臂梁的振動能和電能。

圖6 滾珠直徑不同時輸出功率頻率的變化

滑道長度為15 mm，滾珠直徑為8 mm，負載電阻為140 kW，加速度頻率從5 Hz增大到30 Hz時，單個懸臂梁的輸出功率和振動臺振動加速度幅值之間關系如圖7所示。加速度幅值分別為0.3、0.5和1 g，相應的頻率為7.2、11.8和18.4 Hz時，輸出功率最大，分別為0.02，0.10和0.51 mW，半功率帶寬為47.2%、25.4%和20.7%。由此表明，隨著激勵幅度的增加，采集器輸出功率顯著提高，最大輸出功率所對應的激勵頻率也有所增加。

圖7 加速度幅值不同時輸出功率隨頻率的變化

根據以上實驗結果，滑道長度為15 mm、滾珠直徑為8 mm的采集器具有較大輸出功率，故后面采用該采集器為無線傳感節點供電。

2 自供能無線傳感節點

2.1 硬件部分

自供能無線傳感節點由振動能采集器、單片機、溫濕度傳感器、無線發送模塊和電源管理電路構成。圖8所示為自供能無線傳感節點框圖，環境中有振動時，由于振動能采集器的輸出為交流電，功率較小(約幾百微瓦)，不能直接為無線傳感節點供電，必須通過電源管理電路將微弱的交流電信號轉為適合無線傳感節點供電的直流電信號。經過電源管理電路處理后的3.3 V脈動直流電壓為單片機、溫濕度傳感器和無線發送模塊供電。溫濕度傳感器測量環境中的溫度和濕度并傳遞給單片機，單片機將獲得的數據經過無線發送模塊發送給接收端。硬件電路原理圖如圖9所示。

圖8 自供能無線傳感節點原理框圖

圖9 自供能無線傳感電路硬件電路圖

采用Linear公司的LTC3588-1芯片和LT3009穩壓器構成電源管理電路。LT3588-1是專用于能量采集的超低靜態電流電源。LTC3588-1集成了一個低損耗、全波橋式整流器，一個高效率降壓型轉換器以及一個負責接通和關斷降壓型轉換器的低偏置UVLO檢測器。將LTC3588-1直接與采集器連接，并將電能存儲在2 200mF的鋁電解電容中。穩壓器具有非常低的壓降、快速瞬態響應、優異的電壓和負載調節性能。單片機采用美國德州儀器(TI)公司的一款16位超低功耗微控制器MSP430F149。1.8～3.6 V，采用三套獨立的時鐘源，可通過選擇5種工作模式來使其功耗降低。Sensirion公司生產的SHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強等優點。該芯片在測量溫濕度時電流為550 μA，休眠期間電流僅0.3 μA，供電電壓為2.4～5.5 V?？紤]無線傳輸模塊的功耗、靈敏度、誤幀率以及傳輸距離等，選用Nordic公司的2.4 GHz無線收發芯片nRF24L01作為無線發射模塊。該芯片電流較低，當工作在發射模式下發射功率為-6 dBm時電流為9 mA，掉電模式下電流僅為900 nA，工作電壓為1.9～3.6 V。

2.2 軟件部分

為降低單片機功耗，優化程序設計，設計的程序流程圖如圖10所示。首先將MSP430單片機進行初始化，如系統時鐘、比較器A、Timer A0、端口SPI和nRF24L01的地址總線等。然后單片機進入超低功耗LPM3模式，等待上電復位信號。當電源管理電路提供電壓達到3.3 V時，喚醒單片機，進入工作模式，讀取傳感器上測得的數據，讀取成功則將數據傳送給發送模塊進行發送，然后數據清零并再次進入LPM3模式等待下一次上電復位信號；若讀取數據失敗，則直接進入LPM3模式，等待下一次上電復位信號。該方案使MSP430F149長期處于超低功耗LPM3模式，減少功率消耗。

圖10 無線傳感節點中單片機程序流程圖

3 實 驗

為了實現自供能溫濕度無線發送，制作了圖11所示的自供能無線傳感節點。將采集器安裝在振動臺上，通過導線引出壓電層所產生的電荷，輸入到電源管理電路中，并將電源管理電路輸出的電壓提供給無線傳感電路供電。

圖11 低頻寬帶振動能采集器驅動的無線傳感節點

當振動臺輸出的加速度激勵的幅值為1 g，頻率為18 Hz時，測得的電源管理電路中2 200 μF儲能電容的電壓和電源管理電路的輸出電壓隨時間的變化如圖12所示。上、下兩條曲線分別為輸出電壓和電容電壓，從圖中可以發現，當儲能電容電壓達到4.8 V時電容開始放電，降低到3.75 V后LTC3588-1關閉，使儲能電容充電，經60.2 s達到4.8 V。在電容放電過程中，電源管理電路輸出穩定直流電壓3.3 V，持續時間為1.8 s。

圖12 儲能電容中電壓和電源管理電路輸出電壓

因為無線傳感節點由振動能采集器供電，故采集器的輸出功率決定了節點無線發送的時間周期。在采集器結構確定的情況下，采集器的輸出僅與加速度幅值和頻率相關。經測試，當振動加速度幅值分別為0.36、0.6和1 g，對應的振動頻率分別為7.2、10和17 Hz時，無線傳感節點每隔960、341和71.6 s發送一次環境溫度和濕度數據。當加速度由0.36 g增加1.67倍達到0.6 g時，發送時間為前者的0.355倍；當加速度由0.36 g增大2.78倍達到1 g時，發送時間僅為前者的0.072倍。

當加速度幅值恒為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時，無線傳感節點可以正常測量并發送環境的溫濕度信號。該無線傳感節點每測量并發送一次溫濕度信號的時間間隔隨環境振動頻率的變化如圖13所示。由圖可見，當頻率從5 Hz增加到18 Hz時，測量并發送環境溫濕度信號的時間間隔由848 s逐漸減小為60.2 s。

由以上實驗結果可知，該無線傳感節點在較低的環境振動下就可以正常工作，如在幅值0.36 g(頻率為7.2 Hz)的環境激勵下可以正常工作。當環境振動較大時，無線傳感節點可以在較寬頻帶的低頻振動激勵下正常工作，如當環境加速度幅值為1 g時，只要環境振動頻率在5～18 Hz范圍內，該節點均可正常測量并發送環境的溫濕度信號。

圖13 加速度幅值為1 g，發送時間間隔隨振動頻率的變化

4 結 論

自然環境的振動能大多具有寬帶、低頻特征，開發寬帶低頻的振動能采集器具有重要意義。帶滾珠的振動能采集器利用滾珠與壓電懸臂梁之間的碰撞將低頻環境振動能轉換為懸臂梁的振動能，進一步利用壓電效應將懸臂梁的振動能轉換為電能，同常規的諧振式振動能采集器相比，具有良好的寬帶、低頻特征。實驗結果表明，當加速度的幅值頻率分別為1 g和18.4 Hz時，采集器一根壓電懸臂梁的輸出功率為0.51 mW，半功率帶寬為17.8%或3.8 Hz?；谠撜駝幽懿杉髟O計了一個無線溫濕度傳感節點，實驗表明，當外界環境振動加速度幅值為1 g，頻率從5 Hz增加到18 Hz時，該節點均可正常測量并發送環境的溫濕度信息，其測量并發送的時間間隔由848 s縮短為60.2 s。采集器的寬帶低頻特征使該無線傳感節點可應用于多種自然環境的溫濕度檢測。

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編 輯 漆 蓉

Wireless Sensor Node Powered by Broadband Low-Frequency Vibration Energy Harvester

HE Xue-feng1,2, LI Si-yu1,2, ZHANG Chuang1, and QI Rui1

(1. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System of Education Ministry of China, Chongqing University Shapingba Chongqing 400044;2. Microsystem Research Center, Chongqing University Shapingba Chongqing 400044)

A self-powered wireless sensor node for temperature and humidity measurement was developed. It is mainly composed of a vibration energy harvester, power management circuit, microcontroller, temperature- humidity sensor and a wireless transmitter. The node is powered by a broadband low-frequency vibration energy harvester with a rolling mass. The measured output power of the piezoelectric bimorph on an 140 kΩ resistor is 0.51 mW under base acceleration with the amplitude of 9.8 m/s2and frequency of 18.4 Hz, and the half power bandwidth is about 17.8% or 3.8 Hz. The power management circuit mainly consists of LTC3588-1, LT3009 and a 2 200 μF capacitor. The microcontroller and the wireless transmitter are MSP430F149 and nRF24L01, respectively. Experimental results show that, under the base acceleration excitation with a constant amplitude of 1 g, the wireless sensor node works normally when the excitation frequency increases from 5 Hz to 18 Hz, whereas the time interval for the node to measure and send out the temperature and humidity decreases from 848 s to 60.2 s. The broadband and low-frequency properties of the harvester makes this wireless sensor node can be used in many environments.

broadband; energy harvesting; low-frequency; vibration; wireless sensor node

TN384

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.03.010

2014 - 11 - 19；

2015 - 03 - 16