毕业论文-投出式自供电系统的研究

1、 毕业论文（设计）设计(论文)题目投出式自供电系统的研究姓 名：学 号：学 院：机电与信息工程学院专 业：机械设计制造及其自动化年 级2012级指导教师：2016年 05月 21日目 录摘 要2Abstract2一、绪论3（一）传统能源和新能源3（二）研究背景及选题依据3（三）无线传感器网络概述41.无线传感器网络的发展与应用42.无线传感器网络的特点43.无线传感器网络节点5二、压电材料6（一）压电材料的分类7（二）压电陶瓷71.压电陶瓷的性质72.压电陶瓷的机电耦合模型8（三）压电发电的应用9三、能量的产生与收集10（一）能量来源方式10（二）基于振动能的能量收集方式10（三）压电式振动能

2、量采集电路11四、无线通信13（一）无线通信13（二）节点的设计选择15（三）传感器网络节点的功耗分析17（四）压电陶瓷实验18五、结论24（一）分析与总结24（二）展望24参考文献25谢 辞26摘 要随着电子科技的发展，无线传感器网络广泛应用于各个领域，与此同时，无线传感器网络的各方面问题也越来越突出。其中在环境监测方面，无线传感器网络发挥了至关重要的作用。但其能量供应以及消耗问题直接影响着无线传感器网络的生命周期，对环境监测造成了困扰，因此能量供应成了亟待解决的问题。本文探寻利用压电陶瓷发电给无线传感器节点供电的可行性，介绍了压电陶瓷发电以及无线传感器网络节点的能量消耗，选择适当的节点模块

3、器件，根据所选器件计算分析节点在不同工作状态的的能量消耗。若无线传感器网络节点采用压电供电，便可省去人为更换电池的麻烦，有效增长无线网络的生命周期。关 键 词无线传感器网络、压电陶瓷、节点、无线通信、射频AbstractWith the development of electronic technology, wireless sensor networks are widely used in various fields, at the same time, the problem of wireless sensor networks are becoming more and mor

4、e prominent. In the environmental monitoring, wireless sensor networks have played a crucial role. But its energy supply and consumption problems directly affect the wireless sensor network the life cycle, to the problems of environmental monitoring, so energy supply has become a problem to be solve

5、d. This paper is to explore the use of pressure to the feasibility of wireless sensor nodes of the piezoelectric ceramic power, introduces the piezoelectric ceramic and the node energy consumption of wireless sensor networks, node selection module suitable devices, according to the selected device a

6、nalysis the nodes in the different working state. The energy consumption of wireless sensor network node using piezoelectric power supply, it can save more people For battery trouble, the life cycle of the wireless network is effectively increased.Key WordsWireless Sensor Network, Piezoelectric Cera

7、mics, Node, Wireless Communication, RF27一、绪论（一）传统能源和新能源能源是人类生存和发展的必要因素，现有的不同的能量供应方式极大地推进了社会的发展和进步。现代社会的设施基本都是需要能源供应的，但随着能源应用的日趋紧张并伴随着全球环境的不断恶化，必须寻求符合可持续发展要求的新型能源。以煤炭、石油、天然气等传统能源为主的能源消费方式带来了全球气候变暖、酸雨、雾霾等环境问题，人类在发展的同时污染了环境，造成各种环境和社会问题。并且传统能源属于不可再生能源，随着人类对其不断地发现和开采，地球剩余的传统能源越来越少，成本也将变得越来越高，这就是所谓的能源枯竭问题

8、。为了人类社会的发展，必须改变现在以传统能源为主的能源供应现状。新型能源包括太阳能、风能、水能、波浪能、热能、振动能等不同类型的能源，它们均属于可再生能源，具有种类繁多、分布广泛，污染小或无污染、储量大等特点。现在部分新能源已经得到一定发展，并且取得了不小的成果，对于环境污染和能源枯竭问题有着重大意义。采集并利用自然环境中的能源进行发电，可以为不同能耗级别的系统提供能量。本文研究压电陶瓷给能耗级别低的无线传感器网络节点供电的可行性。（二）研究背景及选题依据近年来随着电子科技的发展和社会需求的增多，在环境检测方面，涌现出了各种投出式自供电系统，不需要频繁的人工管理，就可实现环境监测数据的采集与传

9、送，大大降低了人们的工作量。现在大多数的无线传感器网络节点采用电池或电缆进行供电，但是在野外环境监测方面，例如大面积安装在野外分散的无线传感器，要采用电缆或电池供电是不现实的，即使采用电池供电，定期的大规模电池的更换也相当困难。因此，能量供应是目前无线传感器亟待解决的部分；另外，随着大规模集成电路、超精密机械加工的迅速成长，微机电系统(MEMS)已经或将广泛应用于社会诸多领域，但现有微机电系统中电源装置占据了相当一部分体积和质量，因此，寻找新型的微电源也是微机电系统急需解决的问题之一。目前许多电子元器件和装置的能耗都很小，无线传感器所需的总功率已经减少到了微瓦级，这使得许多能量采集系统能为其供

10、电。目前，野外很多环境监测装置的能量来源方式主要是太阳能，在城市及天气情况良好的地区，优势较明显；但采用太阳能板的装置体积一般较大，很多场合不适用，并且太阳能受天气影响非常严重，且耐腐蚀性差，野外环境监测的条件往往达不到太阳能板正常工作的需求，在恶劣天气时，往往达不到设定的供电需求；太阳能板对稳定性要求也高，必须保证太阳能板接受阳光的照射才能保证发电，所以，野外环境监测利用太阳能供电的方式弊端大。利用传统的供能方式如化学电池作为主要的能量供应装置需要经常更换或充电、材料浪费、回收困难、污染环境等问题，早已开始利用微型发电器来代替或自动为电池充电。因此产生了利用电磁、静电、热电及压电等不同形式的

11、发电装置。由于压电式发电装置有结构简单、易于实现结构上的集成化和小型化且价格较低，安装简单，机电能量转换效率较高无电磁干扰等优点，是目前较为集中且发展较快的振动能量发电方式。压电陶瓷的发电模式是将振动能转化成电能，本文主要研究压电陶瓷在野外环境监测传感系统装置中的应用、发展及改进。由于压电陶瓷发电量很小，所以主要运用在能级很低的传感装置中。将压电陶瓷发电模式运用到无线传感器通信中，为其供电。介绍了压电陶瓷发电的能量收集和无线通信，经过振动能量收集的实验得出数据，并计算压电发电能量的发电率，研究将压电陶瓷运用到无线传感器网络的可行性等。（三）无线传感器网络概述1.无线传感器网络的发展与应用无线传

12、感器网络(WSN)的发展，总体上可分为三个阶段：第一个阶段是20世纪70年代，本阶段是传统的传感器系统出现及发展的阶段，主要应用于战争中；第二阶段是20世纪80年代到90年代，主要是美军研制的运用在军事上的传感器系统2；第三阶段是21世纪开始到现在，在本阶段，无线传感器网络技术除了军事领域，在其他领域也得到了广泛的应用，正在往低能耗、动态性强等方向发展。随着信息技术、集成电路、传感器及低功率嵌入式技术等的发展与进步，产生了WSN，它具有信息收集、数据处理、无线传输的功能。无线传感器网络是由大量的节点构成，通过无线射频连接各个节点进行数据传输，从而构成网络系统。观察者、传感器和感知对象是无线传感

13、器网络的三要素。无线传感器的节点是带有传感器和无线收发器的微机系统，可以用于测量环境中的多种参数，包括简单的温度、压力、湿度、日射率以及复杂的图像、音频、和视频等。这些数据被发送到中央汇聚点或网络中具有处理能力的同类节点。无线传感器网络可以形成复杂的拓扑结构，并使用多种标准和传输协议，因此希望在降低功率的同时保证网络和数据的完整性。目前无线传感器网络已经在社会各界得到充分的运用与进步。在军事方面，可以通过无线传感器网络敌军的军况，实现对目标的定位，监测敌军不同方式的攻击等等，为军方提供情报信息，增强军事力量。在环境监测方面，无线传感器技术也发挥着巨大的作用，它能收集到传统方式收集不到的原始数据

14、，为野外环境变化的监测提供便利，也可通过检测相应的环境参数例如温度、湿度、降雨量等，来预报森林火灾的可能、预测山洪爆发的可能等等。而在农业方面，通过对环境的温、湿度和光照情况的监测来实现远程管理。2.无线传感器网络的特点无线传感器网络在短短几十年间，发展迅速，简单介绍无线传感器网络的特点，其主要体现在以下几个方面3,4,6：(1)计算能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，成本低功耗小，所配置的处理器模块的程序空间和存储空间小，节点的计算能力十分有限。(2)电池能量有限。在环境监测中，传感器节点往往分布广泛，具有移动性，节点所在地点的地形复杂，电池的更换费时费力，通常电池电量耗尽后，节点就因

15、此而失效。因此节点的能量供应问题亟待解决。(3)通信能力有限。传感器节点的无线射频带宽窄，并且易受自然环境和天气情况影响，通常传输距离很短，在数十米至数百米之间。(4)节点多，分布广。传感器网络的节点众多而且位置分散，覆盖面积相当广泛。(5)以数据为中心。系统一般不关注数据来自哪个节点，只关注数据本身和空间位置；数据的传输路径根据感兴趣的数据建立，传输过程中，减少数据冗余，降低能量消耗，实现数据的高效率传输。(6)自组织性、动态性强。节点是通过随机撒布的方式投放到目标区域的，因此节点之间的位置关系预先不知，这就要求节点具有较强的自组织能力，有时节点会因内在的能量耗尽或外在环境因素的影响而报废或

16、失效，也时常有新的节点加入传感器网络，另外节点本身由于环境和天气情况影响，位置可能会发生改变，因此需要WSN要具有很好的动态性。3.无线传感器网络节点无线传感器网络节点，如下图所示，一般由以下四部分组成。图1.1 传感器节点模块结构图1.2 无线通信模块传感器模块主要功能是对目标区域需要监测的信息进行采集，并在其中提取出关键信息并进行转换；处理器模块是整个节点的计算核心，负责控制整个无线传感器网络节点的操作，存储和处理自身传感器模块采集到的数据或更进一步转发其他节点发送来的数据；无线通信模块负责与其他无线传感器网络节点进行无线通信，接收和发送传感器模块采集到的数据；能量供应模块为传感器节点提供

17、系统工作所需的能量。无线传感器网络的应用主要集中在10-3Hz下的环境监测和工业自动化控制，间隔数秒或数小时的检测结果反映了某一过程或现象的时间变化规律。为这些节点供电的关键是电源的长期稳定性而非短期的解决方案。而这些节点具有以下特点6： 1.具有较低占空比。 2.休眠状态具有较低的功率（10300W）。 3.工作状态具有较高功率，一般在500W600mW之间,如果包括无线收发单元在内，最终功率在2mW3mW之间。脉冲持续时间很短，在500ms或更低。下表列出了WSN四种主要状态：休眠、轮询、发送、接收。表1.1 WSN的四种状态功能持续时间（s）功率（mW）描述休眠10-110410-110

18、-3允许通过中断信号“唤醒”器件内部时钟的最低功率状态轮询10-5110-4100与节点环境相互作用所需的功率，包括传感、执行，以及节点所需的数据处理过程发送10-611100向另一节点或基站发送数据包所需的功率和时间。数据包包括传感器标识、路径信息和传感器数据。所需功率大小取决于信息发送时的数据传输距离和速度接收10-3210-11监听数据包所需的功率和时间。为了确保数据被接收，监听时间一般大于发送时间根据目前的情况，处理器模块和传感器模块的能耗很低，无线通信模块的能量消耗占了整个系统能量消耗的绝大部分，另外，无线通信模块在空闲状态下的能耗与发送和接收状态下的能耗也相当，如下图所示：图1.3

19、 节点能量消耗情况一般在环境监测中，需要无线通信模块工作的时间占总体节点工作时间的很小一部分，所以，在节点不工作时，尽量让各个模块都进投入休眠状态，降低能耗。二、压电材料正压电效应是Pierre Curie和Jacques Curie两兄弟在1880年发现的，之后经过他们的研究，又在1881年发现了逆压电效应。正压电效应是指压电材料受压产生变形时，会引起材料内部的电荷发生移动，使得元件极化，进而元件上下两端面间会形成符号相反的束缚电荷，随着电荷的积累形成电动势，如图2.1。反之，如果在压电元件的两端表面通以电压，使得压电元件置于外电场中，电场使压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件

20、形变，称为逆压电效应，如图2.2所示。图2.1 正压电效应 图2.2 逆压电效应（一）压电材料的分类根据成分本身的区别，可以分为有机压电材料，无机压电材料和复合压电材料三种。有机压电材料又称压电聚合物，有质地柔软、低密度、低阻抗和具有高压电电压常数的优点，缺点是是压电应变常数低，目前发展前景良好，运用也较广泛；无机压电材料又可以分为压电晶体和压电陶瓷这两种，压电晶体一般指的是压电单晶体，压电陶瓷通常指的是压电多晶体。复合压电材料是压电聚合物的基底材料中嵌入其他形状的压电材料制造而成的。它的性能结合了有机和无机压电材料的优点，但价格相对较高。（二）压电陶瓷压电陶瓷是一种经过人工极化处理后的压电材

21、料，能够将机械能和电能互相转换。压电陶瓷相对其他压电材料，具有压电系数大、灵敏度高、价格便宜、结构简单、易于制造等优点。除此之外，压电陶瓷还具有介电性、弹性等的特质。1.压电陶瓷的性质（1）介电性压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外在电场的响应水平的物理量，在真空中用介电常数0的大小来反映介电性。压电材料在外电场E的作用下，感应产生的电极化程度可以用P来代表，电极化强度是指材料表面的电荷面密度或者单位体积内的电矩的和，电极化程度P和外电场E呈线性关系，表示为 (2-1)上式中x为电极化率。不同的压电陶瓷元件对压电陶瓷的0要求是不同的，例如，压电陶瓷扩音器等音频元件对压电陶瓷的介电常数要求要大，而

22、高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数小。（2） 弹性压电陶瓷也属于弹性体，一样符合胡克定律： (2-2)上式中cmnpq表示弹性体的弹性硬度系数，Xmn是应力，xmnpq是应变。现在压电陶瓷在制造换能器、滤波器、变压器、鉴频器、发生器、红外探测器等各种探测器件方面发挥着至关重要的作用。随着压电陶瓷的发展，其在人们的日常生活中也得到越来越多的应用，为人类提供便利，提高人们的生活质量。2.压电陶瓷的机电耦合模型建立机电耦合模型来得到机械物理量与电学参数之间的联系。图2.3机电耦合模型系统机械耗损可用一个粘性阻尼器C来代替，机械部分等效刚度是KS，如上图所示，设定质量块用M来表示，其受到施加到系统

23、上的外力F与系统的内力的同时作用，系统的内力包含压电陶瓷的回复力FP、弹簧的回复力和阻尼的粘性阻力。当能量转换结构在共振状态工作时，压电陶瓷的应变最大，能够最大程度地将机械能转换成电能并输出。设定质量块M的位移为u(t)，压电陶瓷输出的电流电压分别为I、V，微观的压电方程可表示为 (2-3)式中T、S分别表示应力和应变；E、D分别表示电场强度和电位移；cE 33表示电场强度为0或是常数时，压电陶瓷的弹性刚度常数；e33表示压电应力常数；cE 33表示应变为0时的介电常数，也称为受夹介电常数。设定压电陶瓷的横截面的面积和厚度分别表示为A、L；电学短路时压电陶瓷的刚度；为压电应力电子；CP为压电陶

24、瓷的静态夹持电容。将式(2-1)中的微观量与宏观量对应，可以得出: (2-4)因此就能得到机械物理量与电学参数之间的关系表达式是 (2-5)又可得： (2-6) (2-7) (2-8) (2-9)式中kt是压电陶瓷机电耦合系数，KPD是电学开路时的压电陶瓷刚度。设定压电陶瓷电学开路、电学短路两种情况下，系统总刚度分别为KD，KE系统总刚度包括结构机械部分的刚度KS和压电陶瓷的等效刚度KPD或KPE，即 (2-10)因此，系统的机电耦合系数可表示为 (2-11)系统的振动微分方程可以表示为 (2-12)对式(2-11)(2-12)两边同乘以再对t求积分，可得 (2-13)因此可以看出，系统输入的

25、机械能分别转换成动能、弹性势能、机械损耗和通过压电陶瓷转换得到的电能。其中，由压电换能元件转换得到的电能为 (2-14)（三）压电发电的应用1.压电发电鞋美国麻省理工学院开发了一个压电系统，将压电材料放入鞋中,该压电发电系统发的电可以为无线发射器供电。经过研究该系统的平均输出功率为1.8mW。后来，J.Paradiso、N.S.Shenck等人又改进系统，把输出功率提高到8.4mW，并将该系统产生的电能进行存储，然后经DC-DC变换电路输出稳定的+5V电压，为串行的ID编码器和RF发送器供电并为无线发射器供电5。另外，还有压电发电保暖鞋，利用压电材料发电为在户外工作的人提供保暖需求。2. 压电

26、点火器目前很多点火的器件都是利用压电发电产生高电压再转换成电火花的原理制造出来的。例如压电打火机、部分家用煤气灶的点火装置等等。3. 压电发电衣服将具有压电性能的材料编织进服装里，当其受到变形时就会发电。澳大利亚的研究人员，研究出了一种发电制服，当人穿上它，在运动的过程中衣服就会发电，可以为手机或者MP3充电。三、能量的产生与收集（一）能量来源方式在环境监测方面，投出式自供电系统能量来源形式有很多种，主要有太阳能、风能、热能和振动能等。本文主要研究基于振动能的能量供应方式。采用振动的方式作为其能量来源的装置目前主要是基于电磁感应、电容静电变化、压电效应这三种基本方法。（二）基于振动能的能量收集

27、方式振动能量采集技术利用机电换能器件将机械能转换成电能，并通过机械结构，将外界环境中振动源的变化最大程度的转换成电能输出。21世纪以来，利用振动方式从周围环境获取能量的发电方式的研究方向逐渐成为各国的研究热点，目前由各国科学家提出的基于振动方式的能量收集方式主要有以下几种2,5：电磁式能量收集技术：其工作原理是法拉第电磁感应定律。经过长时间的发展，现在这项技术已经相对成熟，应用也比较普遍。静电式能量收集技术：是利用静电效应将机械振动能转换成电能的。压电式能量收集技术是基于压电元件的正压电效应工作的，在压电元件的上下两个电极之间便会产生电势差进而把机械振动能转化为电能。利用压电材料能够把不同形式

28、的振动能转化成电能，目前国内外学者已经对压电式能量收集技术进行了广泛的研究。根据国内外的研究人员的研究，目前压电式能量收集装置有很多种，目前大部分采用悬臂梁式结构。但因其无法适应复杂的振动环境，有一定的局限性。后续的储能电路主要有标准能量收集电路、倍压能量收集电路、电荷同步获取电路、并联电感同步开关回收电路、串联电感同步开关回收电路等。压电式振动能量收集技术的基本原理是利用压电元件的正压电效应，在外界振动源激励的作用下，将压电元件的机械变形转换成压电元件表面正负电荷的积累，通过不同的能量采集电路将其转换成供电设备需要的形式，并储存在电容或电池中，以保证持续、稳定的电源供电。（3） 压电式振动能

29、量采集电路由于后续实验采用的是标准能量收集电路，所以只详细介绍这一种。1、标准能量收集电路图3.1 标准能量收集电路电路分析介绍：理想的标准能量收集电路如上图所示，是由全波整流桥和滤波电容组成，电阻RL等效真实的电路负载。整流桥的作用是将压电陶瓷产生的交流电压转化成直流电压；滤波电容的作用是保持电路电压的稳定性。本电路输出的电压波形如下图3.2所示，充分利用了正负两个半波，电压的输出效率得到较明显的提高。图3.2 输出电压波形图2、倍压能量收集电路图3.3 倍压能量收集电路电路分析介绍：倍压能量收集电路最大的特点就是，虽然压电材料一个周期内会放电两次，但只对负载供电一次。3、电荷同步获取电路图

30、3.4 电荷同步获取电路电路分析介绍：电路对开关断开的要求很高，开关的断开时间远远小于机械振动周期，所以该电路要求电感自身的充电时间也应很短，所以应选择适当参数的电感来满足要求。另外，电荷同步获取电路的最大特点就是该电路绝大部分时间都处于开路的工作状态9。电路若能实现，它的平均输出功率达到标准能量收集电路的4倍。4、并联电感同步开关回收电路图3.5 并联电感同步开关回收电路电路分析介绍：该电路集合了上面介绍的两个电路的优点。并联的非线性电路是通过一个电感和一个开关连接而成，为了使得压电陶瓷两端的电压极性得到快速翻转。开关控制方法为开关S在机械振动振幅最大处闭合，半个周期后，压电陶瓷两端的电压极

31、性迅速翻转，但由于不是理想电路，所以会有损耗，电能的损耗大部分是由电感和开关造成的。5、串联电感同步开关回收电路图3.6 串联电感同步开关回收电路电路分析介绍：如图3.6所示，开关控制方法与并联电感同步回收电路是一样的，但功能有所不同，串联电感同步开关回收电路在开关闭合的时候，会将一部分压电陶瓷产生的电荷输送给滤波电容储存。目前根据研究9串联电感同步开关回收电路与并联电感同步开关回收电路是标准能量收集电路与同步电荷获取电路相结合产生的新电路，具有两个电路的优点，并且添加二极管来关闭振动电路的振动过程，控制电路简单，输出功率高，是目前效果最好的能量回收方法。四、无线通信通信是指将信息从一个设备传

32、送到另一个设备的过程。现代通讯系统可以将通信信号以电能（电流、电压等）、电磁能、光能及声能等的不同形式传输，随着现代科技的不断发展，通信形式已由通过电缆来进行的有线传输方式向通过在空中以无线电波或微波来进行的无线传输方式。在整个通信的过程中，信息的发送者被称之为信源，信息的接受者被称之为信宿。信源将采集的原始信息转换成电信号传输给信宿，而信源依赖于由各种硬件和软件组成的发射机来将通信信号转换成适合通信信道的传输形式来进行正常工作。在信宿处，接收端依赖接收机来将通信信道中的信号里取出来并将电信号转换成可以理解的原始信息形式。图4.1 简单通信系统框图（一）无线通信无线通信采用在自由空间或各种媒介

33、中传播的电磁波进行传输12。电磁波是由天线产生的，它将电能转换成辐射的电磁能，转换后的电磁能以正交电磁波的形式在通信信道中传播。接收天线是用来提取电磁波能量并且将它转变成电信号。图4.2 无线通信简易框图如图4.2所示，无线通信中的发射机可以简单的划分为编码、调制、射频发射三部分，接收机可以简单的划分为射频接收、解调、解码三部分。无线通信按照技术体制可以分为模拟、数字、数模三类；按照工作波长可以分为长波、中波、短波等；按照无线应用可以分为移动、无线接入、微波、卫星等；按照工作状态可以分为固定、移动等；按照在通信网络中的位置可以分为无线输入、无线接入。根据国际电信联盟（ITU）推荐的方法将常用的

34、3300MHz无线频段的划分为8个十倍频的频段：表4.1 无线频段划分序号频段名称频率范围波段名称（波长）1甚低频（VLF）330 kHz甚长波（10010km）2低频（LF）30300kHz长波（101km）3中频（MF）300kHz3 MHz中波（1000100m）4高频（HF）330 MHz短波（10010m）5甚高频（VHF）30300 MHz米波（101m）6特高频（UHF）300 MHz3 GHz分米波（101dm）7超高频（SHF）330 GHz厘米波（101cm）8极高频（EHF）30300 GHz毫米波（101mm）电磁波具有波长、频率、强度或功率密度以及极化方向的基本属性。

35、在射频通信系统中，按照通信系统的终端间是否有电缆连接可以分为有线射频通信系统和无线射频通信系统。无线射频通信系统有无线电话或手机、无线传输的电视和收音机广播系统、无线局域网、蓝牙等种类。图4.3 典型射频电路框图（二）节点的设计选择微控制器选择Microship公司的生产的单片机PIC18LF14K50-I/P，采用8位RISC架构，最高运算速度可达48MHz；还具有丰富的内部资源和外部接口，芯片内部有768K Byte RAM，16K Byte Flash，以及模拟数字转换器（ADC），并提供EUSART、I2C、SPI、USB多种外设接口，具有高集成度、超低功耗的特点。电源电压范围为1.8

36、V3.6V；内部振荡器在软件选择时频率为16MHz31MHz；运行模式下电流为25mA,休眠模式下电流为24nA。(a)实物图(b)引脚图图4.4 处理器模块无线通信模块选择Anaren公司的A110LR09A00GM芯片，这是一种双波段、高性能的无线射频模块，采用ETSI标准并通过了FCC和IC认证。稳定工作时的频率是900MHz，射频调制采用FSK调制方法。数据率最大值为250kbps；电源电压的范围为1.8V3.6V，输出功率为12dBm（16mW），运行模式时电流消耗值是15mA，休眠模式时的电流消耗是200nA(0.2A)。(a)实物图 (b)引脚图图4.5 无线通信模块图4.6 射

37、频模块的内部结构框图（三）传感器网络节点的功耗分析图4.7 传感器网络节点的功能框图如图4.7所示一般传感器网络节点的包括以上四个功能部分。传感器节点的总功耗主要是有MCU的计算功耗和通信子系统的的通信功耗，传感子系统和供电子系统的能耗相对较低，在此忽略不作分析。在环境监测方面，温度、湿度、波高等数据的采集时间间隔可以较长，设定每5min发送一组数据作为一个工作周期，节点在空闲状态的能耗与工作状态的能耗相差无几，为了预防意外的发生和提高节点运算的准确性，在每一个工作周期内，节点正常工作的时间设定为10ms，剩余的时间节点处于休眠状态，则节点的占空比q为1/30000。另外，节点的工作电压设定为

38、1.8V。假定传感器节点总功耗是Psum，休眠状态时的功率是PXsum，运行状态时的功率是PYsum；MCU的计算总功耗为PCsum，休眠状态的功率为PCX，运行状态的功率为PCY；通信子系统的通信总功耗是PFsum,休眠状态的功率是PFX，运行状态的功率是PFY；相应的电压电流下标一致，则：根据上面试验器件的介绍可得，节点在运行状态的功耗为： (4-1)MCU在运行状态的功率为：PCY=UICY=45mW (4-2)其中U=1.8V，ICY=25mA通信子系统在运行状态的功率为：PWF=UIFY=27mW (4-3)其中U=1.8V，IFY=15mA所以可得节点在运行状态的功耗PYsum=7

39、2mW。节点在休眠状态的功耗为： (4-4)MCU在休眠状态的功率为：PCX=UICY=42.3nW (4-5)其中U=1.8V,ICY=24nA通信子系统休眠状态的功耗为：PFY=UIFY=360nW (4-6)其中U=1.8V,IFY=200nA所以可得节点在休眠状态的功耗PXsum=402.3nW。根据上述计算可得节点在一个工作周期5min内的平均功耗为：P=qPYsum+(1-q)PXsum2.8W (4-7)其中，q为占空比，数值为1/30000。也可计算一个工作周期5min内的能量消耗：E=PYsumt1+PXsum(T-t1)=PT=0.84mJ (4-8)其中，t1为一个周期内

40、的运行状态的时间10ms，T为工作周期5min（4） 压电陶瓷实验进行此次试验目的是探究分析压电陶瓷的最大发电功率，是否能满足上述装置的正常工作需求。实验采用的压电陶瓷的型号为PN-3和P-85，直径为6mm，高度为5mm。PN-3适用低压力的工作环境，P-85适用于高压力的工作环境。图4.8 压电陶瓷PN-3 图4.9 压电陶瓷P-85实验后续能量采集电路采用最简单的标准能量收集电路，如下图4.10所示：图4.10 实验能量收集电路上述电路中的Cr为50V，20F的电容，RL为8M的电阻。实验内容：对于压电陶瓷PN-3样品，分别增加振动频率和应力，测得RL两端的电压并记录。频率从1Hz增加到

41、20Hz，每隔5Hz测一组数据；应力从5MPa增加到25MPa，每隔2.5MPa测一组数据。对于压电陶瓷P-85样品，也是进行分别增加振动频率和应力，测得RL两端的电压并记录的实验。频率依然是从1Hz增加到20Hz，每隔5Hz测一组数据；应力从15MPa增加到37.5MPa，每隔2.5MPa测一组数据。图4.11 实验装置图图4.12 实验加载平台测得的实验数据如下：表4.2 PN-3的输出电压电压/V应力/MPa57.51012.515频率/Hz11.832.352.372.773.0057.709.2610.2811.5712.801014.5016.7618.6320.8723.0515

42、21.3024.2626.9830.1733.302028.1031.7635.3339.4743.55表4.3 P-85的输出电压电压/V应力/MPa1517.52022.525频率/Hz11.511.551.731.81.7456.526.937.217.648.011012.5713.2813.9214.6415.411518.6219.6320.5621.6422.812024.4225.9826.8528.5330.05电压/V应力/MPa27.53032.53537.5频率/Hz11.791.921.962.122.1858.38.719.089.489.761016.116.86

43、17.5818.2818.761523.925.0126.0827.0827.762031.5133.0134.2135.5136.54根据得到的实验数据拟合得到频率-应力-电压的三维图像，如图4.14所示：(a) PN-3(b) P-85图4.13 频率-应力-电压三维图由上述三维图像可以看出，电压随着频率的变化的变化幅度比电压随着应力的变化的变化幅度要大，即频率对压电陶瓷发电的影响比应力的影响要大。根据P=U2/R，其中R为8M，计算得到每个数据的功率，如下表4.4和4.5所示：表4.4 PN-3的输出功率输出功率/W应力/MPa57.51012.515频率/Hz10.4180.6900.

44、7020.9591.12557.41110.71813.21016.73320.48001026.28135.11243.38554.44566.4131556.71173.56890.990113.779138.6112098.701126.087156.026194.735237.075表4.5 P-85的输出功率输出功率/W应力/MPa1517.52022.525频率/Hz10.2850.3000.3740.4050.37855.3146.0036.4987.2968.0201019.75122.04524.22026.79129.6841543.33848.16752.83958.53

45、665.0372074.54284.37090.115101.745112.875输出功率/W应力/MPa27.53032.53537.5频率/Hz10.4010.4610.4800.5620.59458.6119.48310.30611.23411.9071032.40135.53238.63241.77043.9921571.40178.18885.02191.66696.32720124.110136.208146.291157.620166.896根据各个数据的功率拟合得到频率-应力-功率的三维图像，如图4.14所示：(a)PN-3(b)P-85图4.14 频率-应力-功率五、结论（一

46、）分析与总结在节点处理器和射频模块的选取时，考虑到压电发电的实际情况，选取的都是超低耗的器件，这就为节点采用压电陶瓷供电提供了可能。根据第四章中（三）传感器网络节点的功耗分析中的计算可以知道，本文设计的节点的最大功率为72mW,即节点在运行状态下的功率。节点在一个工作周期内消耗的能量为7.12mJ。因为压电陶瓷发电产生的能量不能直接为节点供电，需要先将能量储存起来然后进行降压稳压，再提供给节点使用，其中必然有能量的消耗，设定能量的转换率为50%。根据第四章（四）压电陶瓷实验，得到本实验中压电陶瓷PN-3的最大发电功率为237.1W，计算得压电陶瓷需要经过t=7.12mJ/(237.1W50%)

47、60.06s发电的积累才能足够为节点提供一个周期内工作所需的能量。60.6s的时间在节点的一个工作周期内，所以也只需要一块PN-3的压电陶瓷就可以为节点供电。另一个实验样品，压电陶瓷P-85样品的最大发电功率为166.9W，计算得压电陶瓷需要经过t=7.12mJ/(166.9W50%)85.32s发电的积累才能足够为节点提供一个周期内工作所需的能量。85.32s的时间在节点的一个工作周期内，所以只需要一块P-85的压电陶瓷就可以为节点供电。所以，综上所述，压电陶瓷为无线传感器网络节点供电是很可观的，发展前景广阔。（二）展望无线传感器网络应用广泛，发展前景广阔，但能源问题直接影响网络的性能和生命周期，限制了它的发展与进步。所以本论文研究无线传感器网络的自供电问题，利用环境的振动能量，采用压电陶瓷为其供电，实现“永久性”工作。经过整篇论文的研究，发现把压电陶瓷应用在为无线传感器网络节点供电方面，前景是非常广阔的。影响压电陶瓷发电的因素有很多，比如压电陶瓷的形状、厚度，外在振动频率、应力等等，改进实验不足的地方就能提高压电陶瓷的发电量，为耗能更大的节点供电。1.改变压电陶瓷的形状。实验中压电陶瓷采用的是圆柱形，实际应用时可以采用压电片并利用悬臂梁式的结构，悬臂梁式的发电效率要高很多，使得压电陶瓷为节点供电变得更有优势。2.实验的能量收集电路采用的是最基本