自供电无线振动自主报警系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自供电无线振动自主报警系统及方法，可以监测外界环境的机械振动，并在振动幅度高于特定预设阈值时自主无线发送报警/提示信号，属于传感器技术和物联网领域。本发明专利技术所述的自主报警微系统由振动自感知能量采集器、能量转换与存储单元、控制电路和无线发射电路组成。振动自感知能量采集器具有驱动阈值，在环境振动幅度低于阈值时不发电，只在环境振动幅度高于阈值时将振动的机械能转化成电能。发出的交流电在能量转换与存储单元中转化为直流并存储起来。控制电路检测到电能积攒到一定程度时，控制无线发射电路上电并发射报警/提示信号，报告事件的发生。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
和物联网领域，尤其涉及一种自供电无线振动自主报警系统。
技术介绍
随着能量采集技术和低功耗电子技术的发展，国际上也提出了多种多样的自供能无线传感节点方案。较早的范例是1992年出现的“智能灰尘”概念。这一概念于1999年由美国加州大学Berkeley分校研制实现。该项目用大量智能传感/运算节点组成网络，每个节点由太阳能供电，通过激光实现网络通讯。由于激光通信对净空的要求以及太阳能受天候的局限，后起的自供能传感节点方案主流的通讯方式是射频收发，而能源方面也在寻求可与太阳能互补或者可以独立使用的供能新方式，振动能量采集就是其中的研究重点。2004年，美国加州大学Berkeley分校的Leland等开发出一种自供能环境监测无线传感节点，可以实现间歇性的温度测量和数据发送。该节点采用一个谐振频率为27Hz的压电悬臂梁式能量采集器供电，在谐振状态、0.05g加速度激励下，能够提供29.3μW的功率。由于采用的是低谐振频率的能量采集器，故整个节点尺寸较大，为70×54×47mm。2009年，IMEC的Elfrink等研制出体积仅1cm3的自供能无线传感节点，能够做到每15秒发送一次当前温度。该节点由一个谐振频率353Hz的压电式能量采集器供电，在谐振状态、0.64g加速度激励下，毛输出功率17μW。电源管理电路效率60％，在间歇工作模式下整个节点的平均功耗低于10μW。南安普顿大学的Beeby研究组于2008年和2011年分别研制出了由电磁式能量采集器和压电式能量采集器供电的无线传感节点。前者能够在0.06g，52Hz的振动驱动下每隔3.28秒发送一次加速度数据，且能够根据能量采集器发电情况调整工作循环时间；而后者则在一张信用卡大小的体积内实现了每隔800秒测量和传输一次温度、加速度和气压数据，其激励振动为0.4g，67Hz。一些传感器企业和新兴的能量采集器企业也推出了一系列自供能无线传感网节点解决方案。MEMSIC和EnOcean都推出了太阳能供电的无线传感节点，用于监测建筑家居环境及微气候变化等。鉴于太阳能供电存在着阴雨天气和室内工作受限的弊端，EnOcean也提供运动能量采集供电的方案，但其能量采集器是按钮式的，即必须专门按下采集器上的按钮才能为传感器供电，虽然这样能够提供较高的功率，但是使用并不方便，仅适用于家居等小空间场合。MicroStrain和Perpetuum提供无人值守的振动能量采集器供电无线传感节点方案，但是由于其能量采集器都是谐振式的，故在出厂时需要针对应用场合的谐振频率预先调谐，因此应用范围主要限制在振动频率比较稳定的机电设备上。总而言之，自供能无线传感节点尚未形成成熟的市场，为了进一步推广，仍有许多科学技术上的问题需要解决。“事件驱动(event-driven)”机制是无线传感网部署中的重要技术。所谓事件驱动，是指仅在某些特定事件(例如地震、火灾、温度/湿度等达到某一阈值)发生时，传感器才被唤醒进行数据传输工作，在其他时刻则保持低功耗休眠状态。这一机制对于有效利用能源、延长传感网寿命、降低使用成本等有着重要意义。所谓“事件”，指的就是“一个变量值的变化”。在传感器的物理层，我们关心的就是一些关键物理量的变化，例如地震一定会引起加速度的巨大变化，火灾则会引起温度的显著变化。这些变化完全可以用于在物理层对传感器进行唤醒，从而进一步减少传感网的能量和网络资源消耗，提高工作效率。更进一步，这些物理量的变化(震动/加速度突变、温度升高)也蕴含着可观的能量，这就为将能量采集和传感功能实现在同一个器件上提供了可能性。这一思路在国际上得到了初步探索。日本国立产业技术综合研究所(AIST)的Itoh等开发出一种直接数字输出的压电式加速度传感器，用于探测禽流感导致的家禽运动状态异常。该传感器在一个悬臂梁结构上制作了多个压电条，每个压电条后级连接阈值电压不同的CMOS开关，因此检测到不同加速度时，开启的是不同数目的CMOS开关，从而实现直接数字输出而不需要模数转换电路。加速度传感器本身并不需要电源，但是后级电路仍需要靠电池供电，并没有完全实现自供能。在很多“事件驱动”的场合，我们只关心监测的物理量是否达到阈值，比如输油管道受到的冲击是否达到了足以破坏其结构的程度。在这样的背景中，持续、精确的加速度数据显然是冗余的，要维持精确的测量需要消耗较多的能源，增加维护难度和维护成本，而“事件驱动”传感机制则可以压缩信息，节省能源。仍以输油管道为例，将“事件驱动”型能量采集器安装在管道上，管道不受到外界作用时，采集器几乎没有任何输出；当外界破坏行为在管道上造成一定程度的振动/冲击时，达到某一预设阈值时，采集器产生的电能即迅速大幅提升，后级电路只需检测到电能积累到一定程度，即可通过射频发射电路发出一个报警信号。这个信号可以非常简单，在上述例子中，只需包含受破坏管道的位置信息。在这种工作模式下，传感器和能量采集器融为一体，而电路并不需要处理振动频率、幅度等信息，也不需要为传感器单独提供电源，这就大大简化了传感节点的构造。直接利用能量采集器实现“事件驱动”的发电行为，则能够在单个器件上同时做到能量采集和传感，形成传感/能量采集一体的新型自供电传感系统。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有无线振动传感器架构复杂、不能有效利用环境能源的不足，提供一种自供电无线振动自主报警系统及方法。该系统包括至少一个利用驱动阈值发电的能量采集器、与所述能量采集器连接用于整流和存储能量的能量转换与存储电路、与能量转换与存储电路连接用于检测并判断所述能量转换与存储电路中电压是否超过其预设电压阈值的控制电路以及与该控制电路连接的无线发射电路；所述能量转换与存储电路包括整流电路以及存储所述能量采集器输出的储能元件；所述无线发射电路用于发射预存的报警/提示信号；当外界激励振动阈值达到或高于所述驱动阈值以及所述控制电路检测到储能元件上的电压超过所述预设电压阈值时，所述无线发射电路发出预存报警/提示信号。作为本专利技术的优选方案之一，所述能量采集器为排布成阵列的能量采集器。作为本专利技术的优选方案之一，所述储能元件为电容或者储能电池。作为本专利技术的优选方案之一，所述控制电路和无线发射电路包含用于预存报警/提示信号的随机存取存储器RAM。作为本专利技术的优选方案之一，所述能量采集器至少包括：用于感应外界振动的第一级振子；所述第一级振子自由端上下表面分别固定长方体磁铁和长方体质量块；用于发电的第二级振子；所述第二级振子自由端上表面固定长方体磁铁；所述第二级振子固定端上表面依次粘接下电极、压电薄膜、上电极；第一级振子和第二级振子固定端都固定在基座上；第一级振子磁铁和第二级振子磁铁的间距可调节。作为本专利技术的优选方案之一，所述控制电路为包括MCU的间歇检测电路或者无MCU的实时检测电路。作为本专利技术的优选方案之一，所述包括MCU的间歇检测电路至少包括：保证MCU顺利开启的开关电路；该电路有电压检测的功能；该电路所控制的开关控制MCU的地；该电路中电压检测器的阈值电压高于MCU启动并进入低功耗模式的电压；实现电压检测的超低功耗控制器MCU或专用集成电路ASIP；MCU间歇性地检测电压；MCU间歇工作周期随程序本文档来自技高网...

【技术保护点】
自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：该系统包括至少一个利用驱动阈值发电的能量采集器、与所述能量采集器连接用于整流和存储能量的能量转换与存储电路、与能量转换与存储电路连接用于检测并判断所述能量转换与存储电路中电压是否超过其预设电压阈值的控制电路以及与该控制电路连接的无线发射电路；所述能量转换与存储电路包括整流电路以及存储所述能量采集器输出的储能元件；所述无线发射电路用于发射预存的报警/提示信号；当外界激励振动阈值达到或高于所述驱动阈值以及所述控制电路检测到储能元件上的电压超过所述预设电压阈值时，所述无线发射电路发出预存报警/提示信号。

【技术特征摘要】
1.自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：该系统包括至少一个利用驱动阈值发电的能量采集器、与所述能量采集器连接用于整流和存储能量的能量转换与存储电路、与能量转换与存储电路连接用于检测并判断所述能量转换与存储电路中电压是否超过其预设电压阈值的控制电路以及与该控制电路连接的无线发射电路；所述能量转换与存储电路包括整流电路以及存储所述能量采集器输出的储能元件；所述无线发射电路用于发射预存的报警/提示信号；当外界激励振动阈值达到或高于所述驱动阈值以及所述控制电路检测到储能元件上的电压超过所述预设电压阈值时，所述无线发射电路发出预存报警/提示信号。2.根据权利要求1所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所述能量采集器为排布成阵列的能量采集器。3.根据权利要求1所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所述储能元件为电容或者储能电池。4.根据权利要求1所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所述控制电路和无线发射电路包含用于预存报警/提示信号的随机存取存储器RAM。5.根据权利要求1所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所述能量采集器至少包括：用于感应外界振动的第一级振子；所述第一级振子自由端上下表面分别固定长方体磁铁和长方体质量块；用于发电的第二级振子；所述第二级振子自由端上表面固定长方体磁铁；所述第二级振子固定端上表面依次粘接下电极、压电薄膜、上电极；第一级振子和第二级振子固定端都固定在基座上；第一级振子磁铁和第二级振子磁铁的间距可调节。6.根据权利要求1所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所述控制电路为包括MCU的间歇检测电路或者无MCU的实时检测电路。7.根据权利要求6所述的自供电无线振动自主报警系统，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕欣，徐大诚，唐翘楚，李梦阳，何启盛，董川，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，苏州大学，
类型：发明
国别省市：上海;31