宽带低频振动能采集器驱动的无线传感节点

贺学锋，李思宇，张 闯，齐 睿



宽带低频振动能采集器驱动的无线传感节点

贺学锋1,2，李思宇1,2，张 闯1，齐 睿1

(1. 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 沙坪坝区 400044；2. 重庆大学微系统研究中心 重庆 沙坪坝区 400044)

提出一种自供能的无线温湿度传感节点，其主要由振动能采集器、电源管理电路、微控制器、温湿度传感器和无线收发模块构成，无线传感节点由一个带滚珠的低频宽带振动能采集器供电。当加速度的幅值频率分别为9.8 m/s2和18.4 Hz，负载为140 kΩ时，采集器一根压电梁的输出功率为0.51 mW，半功率带宽为17.8%或3.8 Hz。电源管理电路包括LTC3588-1芯片、LT3009芯片和一个2 200 μF的电容，微控制器采用低功耗MSP430F149单片机，无线收发模块采用nRF24L01。实验结果表明，当外界环境振动加速度幅值为1 g，频率从5 Hz增加到18 Hz时，该节点均可正常测量并发送环境的温湿度信息，只是时间间隔由848 s缩短为60.2 s。采集器的宽带低频特征使该无线传感节点可应用于多种环境。

宽频带; 能量采集器; 低频; 振动; 无线传感节点

与传统电池相比，将环境中广泛存在的机械能转换成电能的微型能量采集器具有体积小、质量轻、寿命长以及无需更换等特点，是无线传感节点的一种理想电源[1-2]。近年来基于压电效应[3-5]、电磁感应[6-7]和静电效应[8-9]的振动能采集器已成为国内外微能源研究的热点。对基于谐振机理的振动能采集器而言，若其固有频率偏离环境振动频率，输出功率将急剧降低[10-12]。自然环境中的振动能(如树枝摆动、桥梁振动等)大多具有宽带、低频特征，因此，研究宽带、低频的振动能采集器具有重要意义。文献[13]设计了一种利用碰撞扩大带宽的低频电磁式振动能采集器，当激励加速度幅值为1 g，频率在10～60 Hz之间变化时，采集器的输出功率均大于10 μW，在30 Hz时输出功率最大，约为60 μW。文献[14]设计了一种低频振动能采集器，当环境振动频率为30 Hz，加速度幅值为30 m/s2时，采集器最大输出功率为131 μW[14]。文献[15]提出了一种宽带低频振动能采集器，利用碰撞将环境中的低频振动能转换为悬臂梁的高频振动能，实现了利用高频结构采集环境低频振动能的目的，在幅值为15 m/s2，频率为37 Hz的加速度激励下的最大输出功率为602 μW[15]。

温湿度监测在环境监测和工业控制等领域应用广泛，针对以上需求，本文设计了一个自供能的无线温湿度传感节点，该传感节点由一个宽带低频振动能采集器供电。在分析采集器结构参数对其输出性能影响的基础上确定了采集器的结构参数，根据采集器电学输出的特点和温湿度传感器对电源的要求设计了电源管理电路及一个自供能的无线温湿度传感节点，并通过实验分析了该无线传感节点的性能。

1 振动能采集器的结构和优化

图1为采集器的原理图[15]。采集器由两根压电悬臂梁、支座、滚珠构成，其中滚珠位于支座的滑道中。压电梁安装于支座两侧，一端固定于支座上，另一端自由。圆柱形滑道横向贯穿支座，正对悬臂梁自由端，位于圆柱形滑道中的滚珠能沿滑道轴向自由滚动在平行于滑道的低频振动作用下，滚珠在滑道内滚动，在滑道出口处于压电悬臂梁发生碰撞，碰撞后该压电悬臂梁将发生振动，而滚珠返回滑道并向另一侧的悬臂梁方向滚动。压电悬臂梁的振动将导致其压电层应力交替变化，由于压电效应，在压电层的上、下表面电极之间将产生一个交变电势差，利用该电势差可以为无线传感节点等供电。

图1 振动能采集器原理图

图2 振动能采集器原理样机

为了对采集器的性能进行分析，制作了原理样机，其中一个样机如图2所示。采集器的压电梁采用Pizeo Systems Inc公司的T215-A4-203X压电片。该压电片有3层结构，上、下层均为PZT压电膜，中间层为铜，两个压电层串联输出。悬臂梁长31.8 mm，宽6.4 mm，厚0.38 mm，每个压电层的厚度为0.139 mm，铜片厚度为0.102 mm。为了分析滑道长度对采集器电学性能的影响，制作了4个支座，制作的长度为32 mm，高度为18 mm，宽度分别为9、11、13和15 mm (该宽度即为滑道长度)。采用直径为6和8 mm的滚珠研究了滚珠大小对采集器电学性能的影响。为了确保滚珠不会从滑道中掉落，同时使悬臂梁在振动过程中不会与支座发生碰撞，将悬臂梁自由端与滑道出口的间距设置为1 mm左右。

在图3所示的测试平台上对采集器的性能进行了测试。测试平台由示波器、功率放大器、加速度计、振动台和振动能采集器构成。加速度计安装于振动台上，用于监测振动台的加速度，采集器的滑道位于水平方向并与振动台振动方向平行，从示波器自带的信号发生器输出的简谐电压信号经功率放大器放大后驱动振动台，使振动台产生简谐振动，进一步作用于采集器上。振动台的加速度和采集器的电学输出可以直接显示在示波器上。

图3 测试平台

首先在滑道内不放滚珠，对采集器压电悬臂梁自身的特性进行了测试。当保持加速度幅值为1 g，频率从5 Hz增大到300 Hz时，测得一根悬臂梁的开路电压和对70 kΩ负载的输出功率如图4所示。当激励频率为244.5 Hz时，开路电压有效值最大，为4.61 V，这表明采集器的开路频率约为244.5 Hz。当接70 kΩ电阻负载，激励频率为242 Hz时，采集器的输出功率最大，约为34.5 μW，半功率带宽为6.6%。当加速度振动频率偏离采集器固有频率时，输出功率急剧下降，当振动频率降低为50 Hz，采集器对70 kΩ电阻负载的输出功率仅为43.6 nW。

图4 加速度1 g时开路电压和功率随频率的变化

振动加速度幅值为1 g，滚珠直径为8 mm，电学负载电阻为140 kW，加速度频率从5 Hz增大到35 Hz时，单个悬臂梁的输出功率与滑道长度之间的关系如图5所示。采集器的滑道长度分别为9、11、13和15 mm，相应加速度频率为34、23.2、20和18.4 Hz时，输出功率最大，分别为0.22、0.37、0.41和0.51 mW；半功率带宽分别为20.6%、17.8%、22%和20.7%，即分别为7.0、4.1、4.4和3.8 Hz。由以上实验可知，随着滑道长度的增加，采集器产生最大功率输出所对应的激励频率有所降低。

图5 滑道长度不同时输出功率随频率的变化

振动加速度幅值为1 g，滑道长度为15 mm，负载电阻为140 kW，加速度频率由5 Hz增加到30 Hz时，单个悬臂梁的输出功率和滚珠直径之间的关系如图6所示。滚珠直径分别为6和8 mm，相应的加速度频率为14.6和18.4 Hz时，采集器输出功率最大，分别为0.15和0.51 mW，半功率带宽为20.5%和20.7%。由此可见，随着滚珠直径的增大，滚珠的质量增大，从而可以将更多的环境振动能通过碰撞转换悬臂梁的振动能和电能。

图6 滚珠直径不同时输出功率频率的变化

滑道长度为15 mm，滚珠直径为8 mm，负载电阻为140 kW，加速度频率从5 Hz增大到30 Hz时，单个悬臂梁的输出功率和振动台振动加速度幅值之间关系如图7所示。加速度幅值分别为0.3、0.5和1 g，相应的频率为7.2、11.8和18.4 Hz时，输出功率最大，分别为0.02，0.10和0.51 mW，半功率带宽为47.2%、25.4%和20.7%。由此表明，随着激励幅度的增加，采集器输出功率显著提高，最大输出功率所对应的激励频率也有所增加。

图7 加速度幅值不同时输出功率随频率的变化

根据以上实验结果，滑道长度为15 mm、滚珠直径为8 mm的采集器具有较大输出功率，故后面采用该采集器为无线传感节点供电。

2 自供能无线传感节点

2.1 硬件部分

自供能无线传感节点由振动能采集器、单片机、温湿度传感器、无线发送模块和电源管理电路构成。图8所示为自供能无线传感节点框图，环境中有振动时，由于振动能采集器的输出为交流电，功率较小(约几百微瓦)，不能直接为无线传感节点供电，必须通过电源管理电路将微弱的交流电信号转为适合无线传感节点供电的直流电信号。经过电源管理电路处理后的3.3 V脉动直流电压为单片机、温湿度传感器和无线发送模块供电。温湿度传感器测量环境中的温度和湿度并传递给单片机，单片机将获得的数据经过无线发送模块发送给接收端。硬件电路原理图如图9所示。

图8 自供能无线传感节点原理框图

图9 自供能无线传感电路硬件电路图

采用Linear公司的LTC3588-1芯片和LT3009稳压器构成电源管理电路。LT3588-1是专用于能量采集的超低静态电流电源。LTC3588-1集成了一个低损耗、全波桥式整流器，一个高效率降压型转换器以及一个负责接通和关断降压型转换器的低偏置UVLO检测器。将LTC3588-1直接与采集器连接，并将电能存储在2 200mF的铝电解电容中。稳压器具有非常低的压降、快速瞬态响应、优异的电压和负载调节性能。单片机采用美国德州仪器(TI)公司的一款16位超低功耗微控制器MSP430F149。1.8～3.6 V，采用三套独立的时钟源，可通过选择5种工作模式来使其功耗降低。Sensirion公司生产的SHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强等优点。该芯片在测量温湿度时电流为550 μA，休眠期间电流仅0.3 μA，供电电压为2.4～5.5 V。考虑无线传输模块的功耗、灵敏度、误帧率以及传输距离等，选用Nordic公司的2.4 GHz无线收发芯片nRF24L01作为无线发射模块。该芯片电流较低，当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时电流为9 mA，掉电模式下电流仅为900 nA，工作电压为1.9～3.6 V。

2.2 软件部分

为降低单片机功耗，优化程序设计，设计的程序流程图如图10所示。首先将MSP430单片机进行初始化，如系统时钟、比较器A、Timer A0、端口SPI和nRF24L01的地址总线等。然后单片机进入超低功耗LPM3模式，等待上电复位信号。当电源管理电路提供电压达到3.3 V时，唤醒单片机，进入工作模式，读取传感器上测得的数据，读取成功则将数据传送给发送模块进行发送，然后数据清零并再次进入LPM3模式等待下一次上电复位信号；若读取数据失败，则直接进入LPM3模式，等待下一次上电复位信号。该方案使MSP430F149长期处于超低功耗LPM3模式，减少功率消耗。

图10 无线传感节点中单片机程序流程图

3 实 验

为了实现自供能温湿度无线发送，制作了图11所示的自供能无线传感节点。将采集器安装在振动台上，通过导线引出压电层所产生的电荷，输入到电源管理电路中，并将电源管理电路输出的电压提供给无线传感电路供电。

图11 低频宽带振动能采集器驱动的无线传感节点

当振动台输出的加速度激励的幅值为1 g，频率为18 Hz时，测得的电源管理电路中2 200 μF储能电容的电压和电源管理电路的输出电压随时间的变化如图12所示。上、下两条曲线分别为输出电压和电容电压，从图中可以发现，当储能电容电压达到4.8 V时电容开始放电，降低到3.75 V后LTC3588-1关闭，使储能电容充电，经60.2 s达到4.8 V。在电容放电过程中，电源管理电路输出稳定直流电压3.3 V，持续时间为1.8 s。

图12 储能电容中电压和电源管理电路输出电压

因为无线传感节点由振动能采集器供电，故采集器的输出功率决定了节点无线发送的时间周期。在采集器结构确定的情况下，采集器的输出仅与加速度幅值和频率相关。经测试，当振动加速度幅值分别为0.36、0.6和1 g，对应的振动频率分别为7.2、10和17 Hz时，无线传感节点每隔960、341和71.6 s发送一次环境温度和湿度数据。当加速度由0.36 g增加1.67倍达到0.6 g时，发送时间为前者的0.355倍；当加速度由0.36 g增大2.78倍达到1 g时，发送时间仅为前者的0.072倍。

当加速度幅值恒为1 g，频率从5 Hz增加到18 Hz时，无线传感节点可以正常测量并发送环境的温湿度信号。该无线传感节点每测量并发送一次温湿度信号的时间间隔随环境振动频率的变化如图13所示。由图可见，当频率从5 Hz增加到18 Hz时，测量并发送环境温湿度信号的时间间隔由848 s逐渐减小为60.2 s。

由以上实验结果可知，该无线传感节点在较低的环境振动下就可以正常工作，如在幅值0.36 g(频率为7.2 Hz)的环境激励下可以正常工作。当环境振动较大时，无线传感节点可以在较宽频带的低频振动激励下正常工作，如当环境加速度幅值为1 g时，只要环境振动频率在5～18 Hz范围内，该节点均可正常测量并发送环境的温湿度信号。

图13 加速度幅值为1 g，发送时间间隔随振动频率的变化

4 结 论

自然环境的振动能大多具有宽带、低频特征，开发宽带低频的振动能采集器具有重要意义。带滚珠的振动能采集器利用滚珠与压电悬臂梁之间的碰撞将低频环境振动能转换为悬臂梁的振动能，进一步利用压电效应将悬臂梁的振动能转换为电能，同常规的谐振式振动能采集器相比，具有良好的宽带、低频特征。实验结果表明，当加速度的幅值频率分别为1 g和18.4 Hz时，采集器一根压电悬臂梁的输出功率为0.51 mW，半功率带宽为17.8%或3.8 Hz。基于该振动能采集器设计了一个无线温湿度传感节点，实验表明，当外界环境振动加速度幅值为1 g，频率从5 Hz增加到18 Hz时，该节点均可正常测量并发送环境的温湿度信息，其测量并发送的时间间隔由848 s缩短为60.2 s。采集器的宽带低频特征使该无线传感节点可应用于多种自然环境的温湿度检测。

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编 辑 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