Nano Energy：用于远距离物联网的风力自供电无线环境传感器

【引言】

随着物联网技术的发展，环境监测电子技术得到了迅速的发展。由于这些器件数量庞大，传统的电源如电缆、电池等不能满足这些应用的要求。这类电子器件布分散地遍布在偏僻的地方，因而维护困难。摩擦纳米发电机（TENG）具有成本低、制造简单、即使在低频下也具有高输出性能的优点。目前有许多研究工作集中在将TENG与自供电环境监测结合起来。有研究组在2018年提出了一种风力驱动的自供能传感器系统，能够检测2.7至8.0 m/s的风速。2019年有研究人员设计了一种自供电传感器，通过收集水波能量来监测水质。

构建自驱动传感网络，无线通信是数据传输的关键。在短距离内，蓝牙是一种常见的选择，研究者曾提出了一种基于智能手机的人体区域网络系统，该系统使用蓝牙进行数据传输。此外，其他高频信号在物联网无线通信领域也有诸多应用。研究者还设计了一个波浪驱动的自力智能浮标系统，该系统可以通过无线电通信在15米范围内实现可持续和自动化工作。其次，构建自驱动环境监测终端的基础便是能量的获取，为了便于用于采集自供电加速度传感器的振动能量，研究者还设计了一种3D-TENG系统。

因此利用摩擦纳米发电机（TENG）从环境中获取能量，与无线通信技术进行有机结合，对于设计自供电环境监测物联网系统具有重要意义。

【研究简介】

近日，中科院纳米能源所王中林院士团队在Nano Energy上发表了一篇题目为“Wind-driven self-powered wireless environmental sensors for Internet of Things at long distance”的文章。第一作者为中科院北京纳米能源与系统研究所的刘迪博士与陈宝东副研究员，唐伟研究员、张弛研究员与王中林院士为通讯作者。文章报道了一种基于接触分离模式的风力摩擦纳米发电机（Wind-TENG）。为了获得最佳的充电性能，研究并优化了多种介质材料、不同薄膜长度和器件的进气高度等各项参数，并在三维打印机机壳中组装了9台wind-TENG单元作为电源。研究结果表明，设计用于输气管道的一氧化碳传感系统，采用Sub-1G射频通信技术，在风速为4.5m/s的情况下，可以在1.5 km远的距离内持续地工作，并且每18分钟发出一次信号。设计用于气象监测的温湿度传感系统，采用蓝牙通信技术，可以在50m 的工作范围内，每10分钟发送一次测量数据。

【图文简介】

图1

a） wind-TENG器件结构意图；

b） wind-TENG的工作原理；

c） wind-TENG典型开路电压（V_oc）、短路电流（I_sc）、短路输出电荷量（Q_sc）。

图2 不同电介质的wind-TENG在不同风速下的输出性能

a）不同介质膜在不同风速下的开路电压；

b-c）详细总结了不同介质膜在不同风速下的颤振频率；

d）不同风速下不同介质膜的短路输出电荷量；

e-f）详细总结了不同风速下不同介质膜的充电速度。

图3 不同膜长的Wind-TENG的输出性能

a、b）风速为4.5m/s时，不同长度的介质膜对风振的V_oc、Q_sc；

c）高速摄像机拍摄的介质膜行为图像；

d）风速为4.5m/s时，不同长度的介质膜的频率分析；

e）介质膜拍打顶端极板的物理模型图像；

f）风速为4.5m/s时不同膜长下充电速度和颤振频率的图像。

图4 不同进气高度Wind-TENG的输出性能

a-b）风速为4.5m/s时不同进气高度下Voc和Qsc的测量；

c）高速摄像机拍摄的介质膜行为图像；

d）高速摄像机拍摄的介质膜颤振频率和2.5cm进气高度装置的行为；

e）风速为4.5m/s时不同进气高度下的充电速度和频率测量。

图5 Wind-TENG电源模块的输出性能

a）不同数量Wind-TENG并联负载电阻10 MΩ的V_oc示意图；

b）不同数量Wind-TENG的并联Isc示意图；

c）Wind-TENG单元组合而成的电源模块；

d）不同数量Wind-TENG对2.2 mF电容器充电效率的测量。

图6基于Wind-TENG的无线传感系统

a）自驱动无线环境传感器应用电路框图；

b）基于Sub-1G的自驱动CO传感电路；

c）实时测量充电7.2 mF电容，传输CO气体信号的sub-1g模块供电曲线；

d）基于Sub-1G通信的CO气体传感系统应用场景；

e）基于蓝牙的自驱动温湿度传感电路；

f）实时测量充电4.7 mF电容，，传输温度和湿度信号的蓝牙模块供电曲线；

g）基于蓝牙的温湿度传感系统应用场景。

【小结】

综上所述，本文提出了一种风力驱动的自供电无线环境传感系统。设计了一种具有高输出性能的接触分离工作模式的典型TENG，并将其与无线传感节点集成为电源。一氧化碳气体浓度监测系统每18分钟可通过Sub-1G在1.5公里范围内自动传输数据。本系统可用于远程管道泄漏报警，即使在野外也无需维护。另一个自供电温湿度混合传感系统可以每9分钟通过蓝牙在50米范围内传输监测数据。该系统可放置在社区内，供人们实时获取当地的气象情况。此外，风力驱动的自供电无线环境传感系统搭建了一个自驱动环境监测框架，随着物联网的发展，将对无线环境遥感产生巨大的影响。

文献链接：Wind-driven self-powered wireless environmental sensors for Internet of Things at long distance, 2020, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104819.