Nano Energy：用于遠距離物聯網的風力自供電無線環境傳感器

【引言】

隨著物聯網技術的發展，環境監測電子技術得到了迅速的發展。由于這些器件數量龐大，傳統的電源如電纜、電池等不能滿足這些應用的要求。這類電子器件布分散地遍布在偏僻的地方，因而維護困難。摩擦納米發電機（TENG）具有成本低、制造簡單、即使在低頻下也具有高輸出性能的優點。目前有許多研究工作集中在將TENG與自供電環境監測結合起來。有研究組在2018年提出了一種風力驅動的自供能傳感器系統，能夠檢測2.7至8.0 m/s的風速。2019年有研究人員設計了一種自供電傳感器，通過收集水波能量來監測水質。

構建自驅動傳感網絡，無線通信是數據傳輸的關鍵。在短距離內，藍牙是一種常見的選擇，研究者曾提出了一種基于智能手機的人體區域網絡系統，該系統使用藍牙進行數據傳輸。此外，其他高頻信號在物聯網無線通信領域也有諸多應用。研究者還設計了一個波浪驅動的自力智能浮標系統，該系統可以通過無線電通信在15米范圍內實現可持續和自動化工作。其次，構建自驅動環境監測終端的基礎便是能量的獲取，為了便于用于采集自供電加速度傳感器的振動能量，研究者還設計了一種3D-TENG系統。

因此利用摩擦納米發電機（TENG）從環境中獲取能量，與無線通信技術進行有機結合，對于設計自供電環境監測物聯網系統具有重要意義。

【研究簡介】

近日，中科院納米能源所王中林院士團隊在Nano Energy上發表了一篇題目為“Wind-driven self-powered wireless environmental sensors for Internet of Things at long distance”的文章。第一作者為中科院北京納米能源與系統研究所的劉迪博士與陳寶東副研究員，唐偉研究員、張弛研究員與王中林院士為通訊作者。文章報道了一種基于接觸分離模式的風力摩擦納米發電機（Wind-TENG）。為了獲得最佳的充電性能，研究并優化了多種介質材料、不同薄膜長度和器件的進氣高度等各項參數，并在三維打印機機殼中組裝了9臺wind-TENG單元作為電源。研究結果表明，設計用于輸氣管道的一氧化碳傳感系統，采用Sub-1G射頻通信技術，在風速為4.5m/s的情況下，可以在1.5 km遠的距離內持續地工作，并且每18分鐘發出一次信號。設計用于氣象監測的溫濕度傳感系統，采用藍牙通信技術，可以在50m 的工作范圍內，每10分鐘發送一次測量數據。

【圖文簡介】

圖1

a） wind-TENG器件結構意圖；

b） wind-TENG的工作原理；

c） wind-TENG典型開路電壓（V_oc）、短路電流（I_sc）、短路輸出電荷量（Q_sc）。

圖2 不同電介質的wind-TENG在不同風速下的輸出性能

a）不同介質膜在不同風速下的開路電壓；

b-c）詳細總結了不同介質膜在不同風速下的顫振頻率；

d）不同風速下不同介質膜的短路輸出電荷量；

e-f）詳細總結了不同風速下不同介質膜的充電速度。

圖3 不同膜長的Wind-TENG的輸出性能

a、b）風速為4.5m/s時，不同長度的介質膜對風振的V_oc、Q_sc；

c）高速攝像機拍攝的介質膜行為圖像；

d）風速為4.5m/s時，不同長度的介質膜的頻率分析；

e）介質膜拍打頂端極板的物理模型圖像；

f）風速為4.5m/s時不同膜長下充電速度和顫振頻率的圖像。

圖4 不同進氣高度Wind-TENG的輸出性能

a-b）風速為4.5m/s時不同進氣高度下Voc和Qsc的測量；

c）高速攝像機拍攝的介質膜行為圖像；

d）高速攝像機拍攝的介質膜顫振頻率和2.5cm進氣高度裝置的行為；

e）風速為4.5m/s時不同進氣高度下的充電速度和頻率測量。

圖5 Wind-TENG電源模塊的輸出性能

a）不同數量Wind-TENG并聯負載電阻10 MΩ的V_oc示意圖；

b）不同數量Wind-TENG的并聯Isc示意圖；

c）Wind-TENG單元組合而成的電源模塊；

d）不同數量Wind-TENG對2.2 mF電容器充電效率的測量。

圖6基于Wind-TENG的無線傳感系統

a）自驅動無線環境傳感器應用電路框圖；

b）基于Sub-1G的自驅動CO傳感電路；

c）實時測量充電7.2 mF電容，傳輸CO氣體信號的sub-1g模塊供電曲線；

d）基于Sub-1G通信的CO氣體傳感系統應用場景；

e）基于藍牙的自驅動溫濕度傳感電路；

f）實時測量充電4.7 mF電容，，傳輸溫度和濕度信號的藍牙模塊供電曲線；

g）基于藍牙的溫濕度傳感系統應用場景。

【小結】

綜上所述，本文提出了一種風力驅動的自供電無線環境傳感系統。設計了一種具有高輸出性能的接觸分離工作模式的典型TENG，并將其與無線傳感節點集成為電源。一氧化碳氣體濃度監測系統每18分鐘可通過Sub-1G在1.5公里范圍內自動傳輸數據。本系統可用于遠程管道泄漏報警，即使在野外也無需維護。另一個自供電溫濕度混合傳感系統可以每9分鐘通過藍牙在50米范圍內傳輸監測數據。該系統可放置在社區內，供人們實時獲取當地的氣象情況。此外，風力驅動的自供電無線環境傳感系統搭建了一個自驅動環境監測框架，隨著物聯網的發展，將對無線環境遙感產生巨大的影響。

文獻鏈接：Wind-driven self-powered wireless environmental sensors for Internet of Things at?long distance, 2020, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104819.