自供电无线传感网络节点设计

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1、2012年仪表技术与传感器2012第7期InstrumentTechniqueandSensorNo.7自供电无线传感网络节点设计1，32，3孟庆春，陈光柱(1．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221008;2．成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都610059;3．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049)摘要:针对无线节点续航难题，提出一种自供电无线传感网络节点设计方案。该方案采用双晶悬臂梁式压电振子自发电结构，针对传统以电容为存储介质的能量收集电路的缺陷，采用新型压电能量收集存储芯片LTC3588－1及LTC4071搭建电路，设计无

2、线节点模块并进行试验分析。试验结果表明:该方案能量收集效率高，可满足占空比为1%的无线传感网络节点工作需求，且适应于各种复杂振动环境。关键词:无线传感网络节点;自供电;压电振子;能量收集存储电路中图分类号:TM619文献标识码:A文章编号:1002－1841(2012)07－0102－03DesignofSelf-PoweredWirelessSensorNetworkNode1，32，3MENGQing-chun，CHENGuang-zhu(1．SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaUniversityofMi

3、ningandTechnology，Xuzhou221008，China;2．CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China;3．StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China)Abstract:Adesignschemeofself-poweredwirelesssensorn

4、etworknodewasproposedaccordingtoitslackofendurance．Theself-poweredstructurewasdoublecrystalcantileverpiezoelectricvibrator．Traditionalenergyharvestingcircuitusedcapacitancesasthestoragemedium．Accordingtothisdefect，newpiezoelectricenergyharvestingchipsLTC3588-1andLTC4071wereusedtobuildthe

5、circuit．Thewirelesssensornetworknodewasdesignedandtested．Theexperimentalresultsshowthattheenergyharvestingeffi-ciencyofthisschemeishigh．Thesystemcanmeettheworkdemandofwirelesssensornetworknodewhosedutycycleis1%．Anditcanadjusttoallkindsofcomplexvibrationenvironment．Keywords:wirelesssensor

6、networknode;self-powered;piezoelectricvibrator;energyharvestingcircuit［6］0引言况。T传感网络技术作为一种新兴的监测技术，在生产生活中具D=dT+εE(1)有广泛的应用。传感网络，尤其是无线传感网络，能量供应对EtS=ST+dE其影响很大，一般采用电池供电，而电池的使用寿命有限。然式中:D为电位移;d为压电应变常数;dt为d的转置;S为应而工程中无线传感网络节点常常由于监测位置等原因，电池的变;SE为弹性柔顺系数;T为应力;E为电场;εT为介电常数。更换有时非常困难。因此，为了实现整个传感网络的长期

7、有效设计中的自发电结构采用双晶悬臂梁式压电振子，压电振的工作，延长无线传感网络应用寿命和降低成本，如何为无线子结构如图1所示，由压电层与中性层组成。中性层采用可导传感网络提供足够的、长期的能量是首先需要解决的问题。有电磷青铜薄板;压电层为PZT－5H压电陶瓷，分布在金属薄板效的实现方法是收集传感网络周围环境中的能量，并加以储上下端面。压电层与金属薄板之间通过导电胶粘接。其发电存，从而为无线传感网络供能。无线传感网络节点的使用场合过程为:压电振子随外界激振力振动，压电层产生变形，由于压中存在诸多形式的机械振动能，采收环境振动为节点提供实时电