[01376967]分布式环境振动能量采集技术及其在物联网领域的应用

随着物联网等技术的快速发展,分布式传感器和无线通信节点的应用日益广泛。由于工程需要部分电子设备需要长期工作,如桥梁健康监测系统需要工作10年以上,海洋监测浮/潜标需要工作3年以上。但是对于桥梁的植入式传感器和潜标只能依靠电池供电,部分潜标甚至一次性放置数吨蓄电池以减少人工更换频率,植入式传感器在电池没电后即停止工作且不可更换,这些电子设备的工作寿命和使用成本都受到蓄电池的极大影响。而振动能量是环境中普遍存在的一种能源,在海洋、桥梁等环境中均大量存在,将这些分布式的振动能转换为电能就近供电能满足电子设备长期免维护工作的需要,不但绿色环保,且大幅降低了电子设备的使用成本。 在国家基金“51107030”和“51775166”,以及河北省基金“E2012202070”的资助下,本项目着力解决分布式振动能量收集的关键技术和工程应用问题。主要研究成果包括： （1）深入研究自然环境中广泛存在的振动能,对车辆、波浪、桥梁和人体等多种环境振动特点进行深入研究,基于主共振和内共振技术提出了拾振机构的设计方法,有效提升了能量采集装置的一级俘能效率。 （2）对电磁场、力场进行了联合仿真,提出了硅钢片的三维磁测量方法,并将测得的B-H曲线录入有限元软件,有效提高了有限元的精度,为磁路和结构设计奠定了基础。 （3）对环境振动-拾振机构-发电系统的能量传递机制进行了研究,考虑振源的多维性与随机性,提出了有效反映环境振动与发电系统相互作用的振动能量采集系统机电耦合模型,找出了输入振动与发电机结构参数、负载特性之间的统计关系,利用相轨迹法分析揭示了动子的运动规律。 （4）提出了一种环境振动能量采集与动态自组网协议相结合的物联网信息采集一体化解决方案,利用环境振动能力采集系统实现了传感器和通信节点的自供能。 项目成果在浮标和桥梁在线监测系统等领域得到了应用,所开发的波浪和桥梁振动能采集装置能够长期稳定运行,将设备免维护使用时间提升一倍以上。通过本项目的研究,已培养硕士10余名;发表论文26篇,其中SCI/EI论文15篇,发表在IEEE Trans. Appl. Supercond.的一篇论文被他引18次。已授权专利16项,其中发明专利7项,正在申请发明专利10项。已授权软件著作权2项。已授权国家发明专利10余项和实用新型专利6项。项目的推广应用促进了振动能采集技术的发展,对建设资源节约型、环境友好型社会具有重大价值和意义。