基于微型压电能量采集器的无线风速监测节点

摘要

传统电池尺寸大、需定时更换或充电、对使用环境要求高且污染环境,不能很好地满足无线传感网络等的需求。将环境中的能量转化为电能的微能源是解决无线传感节点供电的一种理想方案。风能是环境中广泛存在的一种可再生清洁能源,微型风能采集器已成为国内外微能源研究的热点之一。目前国内外在基于微型风能采集器的无线传感节点方面成果很少,开展相关研究具有重要的学术价值与示范作用。
　　针对气象观测、煤矿/隧道运行状况监测等的需求,论文设计了一种基于微型压电能量采集器的无线风速监测节点。在课题组前期研究基础上研制出一个自供能的无线风速监测节点,该节点包括两个基于风致振动机理和压电效应的微型风能采集器,其中一个用于供电,另一个用于风速测量,根据采集器振动频率的变化实现对风速的测量。论文的研究工作主要包括:
　　(1)分析总结了基于微型能量采集器的无线传感节点的国内外研究现状与发展趋势,进行了自供能无线风速监测节点的方案设计;
　　(2)完成了带谐振腔的压电能量采集器的结构设计和原理样机制作,以及MEMS风速测量单元的工艺流程设计与微结构加工;
　　(3)完成了测量压电能量采集器振动频率的电路设计,通过MSP430F149微控制器和nRF24L01无线收发模块实现了环境振动频率和风速的无线监测;
　　(4)制作了由LTC3588-1芯片和LT3009稳压器组成的电源管理电路,将能量采集器输出的交流电转换为直流电,实现了为微控制器等模块电路供电的目的;
　　(5)实验结果表明,自供能的无线风速监测节点在风速为12m/s时,每隔80s发送一次所测风速,灵敏度为1.86Hz/(m/s);MEMS风速测量单元在10.2m/s风速下产生了12Hz的谐振频率偏移,灵敏度为1.18Hz/(m/s)。