无线传感器网络自适应压电能量获取的研究

摘要

在历史上，技术的发展往往与新能源的利用和能源利用方法的改进有关。随着工业革命的兴起，我们逐渐走向能源危机的时代。同时，新型能源伴随着能量转换技术的发展，越来越成为未来泛在电子通信系统的合适选择。尤其是将自然环境中多余的各种新式能量进行采集、存储并利用具有显著的环保意义，也具有广阔的工程应用前景。随着无线传感器网络(WSNs)在医疗保健、灾害监测等领域的发展，小型无线传感器的性能受到人们的关注。网络中每一个节点的寿命往往不由器件本身，而是由电源的寿命决定，更是形成了泛在网络发展的瓶颈。
　　 为了攻克上述状况，本文首先通过对当今微能源及微系统的分析和研究，总结出了适应于低功耗小型节点供电的解决方案。接着，从压电方程入手，分析了压电发电单元的结构、原理及应用价值。主要研究内容和结果包括：
　　 通过收集和比较国内外各种微能源转化技术及其在微(通信)系统中的应用，对人体步行能量的潜在价值进行评估并论证其在压电转化技术上的可移植性。
　　 从压电材料入手，分析了压电发电元件在力作用下产生电荷，输出电压的原理，讨论了用于能量采集的压电元件等效电路模型。
　　 首次提出一款适用于当前现状的木屐生电模块，实现外界机械能的转化、存储及控制等功能。实验证明，该模块具有良好的可靠性、输出特性以及可移植性。为将来实现自适应生电系统网络提供了理论和实践依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2环境能量采集的国内外研究现状

1.2.1微型生电装置

1.2.2压电发电技术

1.3论文的主要任务和目标

第二章 微系统及微能源的研究分析

2.1微系统与及其微电源

2.1.1MEMS技术

2.1.2微电源的需求

2.2微能源

2.2.1热电转换

2.2.2振动激励作用

2.2.3来自人体的能量

2.2.4步行换能技术

2.3微电源能量密度小结

2.4利用微能源的电系统

2.4.1用于传感器网络的分布式能源中性获取系统

2.4.2能量获取技术中的功率与数据分析

2.4.3压电材料的能量获取系统

2.4.4人体无源获能系统

第三章 环境能量采集的压电单元研究

3.1压电效应及表达式

3.1.1正向压电效应(力——电产生效应)

3.1.2逆向压电效应

3.2压电材料

3.3压电材料的压电方程组

3.4压电元件能量采集的原理

3.5压电换能器的等效电路

第四章 换能存储电路及收发系统的设计

4.1基于压电换能系统的假设分析以及系统结构

4.1.1人体步行时的能量转换可行性分析

4.1.2系统构成要素

4.1.3系统结构设计

4.2系统实现及其验证

4.2.1总体硬件考虑

4.2.2木屐压电生电器

4.2.3整流模块

4.2.4电能存储

4.2.5智能开关与手动开关

4.2.6稳压模块

4.2.7信号编码

4.2.8传输、接收及解码驱动单元

4.2.9功率特性分析

4.3实验系统的应用推广

4.3.1警报系统

4.3.2家用电器遥控系统

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

攻博／硕期间取得的研究成果