一种自供电模块化无线传感网络节点

1.本发明涉及无线传感网络节点技术领域，尤其是指一种自供电模块化无线传感网络节点。


背景技术：

2.无线传感网络(wireless sensor networks,wsn)由部署在监测区域内大量的微型传感节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，是物联网的重要组成部分，其主要功能是感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给控制中心。大部分无线传感器网络是采用电池供电，工作环境复杂且数量大，更换电池困难，节点的使用寿命有限，并且电源电压对节点的传感、处理、无线通讯等性能有较大的影响，例如电源电压下降会同时降低敏感性和加速度计的带宽。为了延长传感器网络的工作周期，现有技术中出现了基于太阳能和风能的能量供给系统，实现了在有阳光和有风环境下为无线传感节点供电的目的，但是在黑夜或者密闭环境中也无法使用，无法满足供电需求。而机械能在自然环境中普遍存在，如海浪、机械、生物运动、车辆振动等，因此通过振动微能源收集技术，将机械装备自身产生机械能(如冲击、旋转、振动)转换为电能，为低功耗传感节点供电，是打破供电方式限制的有效方案。
3.但是现有的通过振动能源来实现供电的无线传感网络节点结构复杂，无法高效俘获振动能量且制造成本较高，且节点中各个模块通常采用一体化设置，一旦其中某个模块受损整个节点就报废了，使用和维护成本较高。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中通过振动能源来实现供电的无线传感网络节点无法高效俘获振动能量、使用和维护成本较高的缺陷。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种自供电模块化无线传感网络节点，包括壳体，所述壳体内部设置有控制模块，所述壳体外部可拆卸地连接有能量收集模块、无线传输模块和多个传感模块；所述能量收集模块用于给所述控制模块供电，所述无线传输模块和传感模块均与所述控制模块电连接；
6.所述能量收集模块包括第一容置腔，所述第一容置腔内设置有第一压电梁和第二压电梁，所述第一压电梁包括第一支撑框架，所述第一支撑框架上连接有高频悬臂梁，所述第二压电梁包括第二支撑框架，所述第二支撑框架上连接有低频悬臂梁，所述高频悬臂梁和低频悬臂梁上均粘贴有压电元件；
7.所述高频悬臂梁的共振频率大于所述低频悬臂梁的共振频率；所述高频悬臂梁和低频悬臂梁呈间隔设置，所述低频悬臂梁用于在振动运动中与高频悬臂梁发生碰撞，使得高频悬臂梁产生电压输出。
8.在本发明的一个实施例中，所述能量收集模块包括第一底座，所述第一底座上连接有第一盖体，所述第一盖体和所述第一底座之间形成所述第一容置腔，所述第一容置腔
中设置有垫片，所述垫片上具有开口。
9.在本发明的一个实施例中，多个传感模块中至少存在一个倾角传感模块和一个加速度传感模块，所述倾角传感模块和加速度传感模块均包括第二容置腔，所述第二容置腔中均设置有第二压电梁，所述倾角传感模块、加速度传感模块和能量收集模块中的第二压电梁呈相互垂直设置。
10.在本发明的一个实施例中，所述倾角传感模块和加速度传感模块均包括第二底座，所述第二底座上连接有第二盖体，所述第二盖体和所述第二底座之间形成所述第二容置腔。
11.在本发明的一个实施例中，所述壳体的上部和下部均连接有所述能量收集模块。
12.在本发明的一个实施例中，全部所述传感模块和所述无线传感模块围绕所述壳体的轴线布置。
13.在本发明的一个实施例中，所述多个传感模块中至少存在温湿度传感模块、气体传感模块、压力传感模块中的一种或多种。
14.在本发明的一个实施例中，所述能量收集模块、无线传输模块和传感模块均通过螺栓和所述壳体相连接。
15.在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括整流储能模块和信号采集控制模块，所述整流储能模块用于将能量收集模块输出的交流电转换成直流电并进行存储，所述整流储能模块用于给信号采集控制模块供电，全部所述传感模块均于所述信号采集控制模块电连接，所述信号采集控制模块用于将将传感模块产生的信号传输至无线传输模块，并由无线传输模块传输至电脑终端。
16.在本发明的一个实施例中，所述高频悬臂梁的顶面和顶面均粘贴有压电元件。
17.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
18.本发明所述的自供电模块化无线传感网络节点，可以高效俘获振动能量而实现稳定高效的自供电；整体结构简单且集成度高，能量收集模块、无线传输模块和传感模块均采用可拆卸设计，更便于安装和更换，大大降低了使用和维护成本。
附图说明
19.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
20.图1是本发明的自供电模块化无线传感网络节点的结构示意图；
21.图2是图1所示的网络节点的爆炸分解示意图；
22.图3是图2中倾角传感模块的爆炸分解示意图；
23.图4是图2中能量收集模块的爆炸分解示意图；
24.图5是图2中加速度传感模块的爆炸分解示意图；
25.图6是图2中温湿度传感模块的爆炸分解示意图；
26.图7是图2中无线传输模块的爆炸分解示意图；
27.图8是图2中控制模块的爆炸分解示意图；
28.图9是高频悬臂梁和低频悬臂梁的碰撞示意图；
29.图10是三轴传感示意图；
30.图11是图1所示的网络节点各模块的连接示意图；
31.说明书附图标记说明：1、壳体；2、控制模块；21、整流储能模块；22、稳压模块；23、信号采集控制模块；3、能量收集模块；31、第一容置腔；32、第一底座；33、第一盖体；34、垫片；341、开口；35、第一压电梁；351、第一支撑框架；352、高频悬臂梁；36、第二压电梁；361、第二支撑框架；362、低频悬臂梁；4、无线传输模块；41、第四盖体；42、第四底座；43、无线传输电路板；5、倾角传感模块；51、第二容置腔；52、第二底座；53、第二盖体；6、加速度传感模块；7、温湿度传感模块；71、第三盖体；72、第三底座；73、温湿度传感电路板。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
33.参照图1-图2所示，本实施例公开了一种自供电模块化无线传感网络节点，包括壳体1，壳体1内部设置有控制模块2，壳体1外部可拆卸地连接有能量收集模块3、无线传输模块4和多个传感模块；
34.其中，能量收集模块3用于产生电能并给控制模块2供电，无线传输模块4和传感模块均与控制模块2电连接；传感模块用于采集传感信号并传输给控制模块2，由控制模块2将传感信号传输至无线传感模块，并经由无线传感模块传输至电脑终端；
35.其中，如图4所示，能量收集模块3包括第一容置腔31，第一容置腔31内连接有第一压电梁35和第二压电梁36，第一压电梁35包括第一支撑框架351，第一支撑框架351上连接有高频悬臂梁352，第二压电梁36包括第二支撑框架361，第二支撑框架361上连接有低频悬臂梁362，高频悬臂梁352和低频悬臂梁362上均粘贴有压电元件；
36.高频悬臂梁352的共振频率大于低频悬臂梁362的共振频率；
37.高频悬臂梁352和低频悬臂梁362呈间隔设置，如图9所示，低频悬臂梁362用于在振动运动中与高频悬臂梁352发生碰撞，使得高频悬臂梁352产生电压输出，也即产生交流电。
38.上述能量收集模块3是用于收集环境中的振动能量并将其转换为电能，其利用低频悬臂梁362与高频悬臂梁352碰撞使得高频悬臂梁352实现自激振动，从而使得高频悬臂梁352得以快速振动而产生电能。高频悬臂梁352产生电能只需通过导线引出至控制模块2即可实现供电。
39.另外，基于低频悬臂梁362与高频悬臂梁352碰撞的碰撞升频结构，也能够有效拓宽能量收集模块3的工作频带宽度。
40.能量收集模块3的发电原理为：当高频悬臂梁352受到外界振动激励或者低频悬臂梁362的碰撞激励时，高频悬臂梁352振动产生变形，引发高频悬臂梁352上压电元件的压电效应，压电元件上下表面积聚极性相反的电荷，从而产生电能。高频悬臂梁352和低频悬臂梁362具有各自的固有频率(共振频率)。初始状态下，高频悬臂梁352和低频悬臂梁362处于相互平行且不接触的状态，由于低频悬臂梁362对环境振动的感应较为灵敏，当外界激振频率与低频悬臂梁362的固有频率接近时，低频悬臂梁362发生共振，当低频悬臂梁362的共振位移超过低频悬臂梁362与高频悬臂梁352之间的间距时，如图9所示，低频悬臂梁362会碰撞到高频悬臂梁352，高频悬臂梁352受到碰撞激励之后会在本身的固有频率下做振荡运
动，从而实现了低频悬臂梁362的低频振动到高频悬臂梁352高频振动的转化，也称为升频。低频悬臂梁362与高频悬臂梁352碰撞接触过程中，高频悬臂梁352的运动位移比低频悬臂梁362小，低频悬臂梁362的向上运动受到限制，于是导致低频悬臂梁362的整体刚度有所增大，进而使得低频悬臂梁362的共振频率在碰撞过程中逐渐增大，达到拓宽能量收集模块3工作频带宽度的效果。
41.上述无线传感网络节点，通过能量收集模块3的高、低频悬臂梁362的设计，可以实现低频振动到高频悬臂梁352高频振动的转化，使得高频悬臂梁352得以高频振动而产生较大的电能，达到高效俘获振动能量的作用，从而实现整个节点稳定有效的自供电效果；
42.能量收集模块3、无线传输模块4和传感模块均可拆卸的连接在壳体1上，更便于安装和更换，某个模块一旦发生损坏，只需单独更换该模块即可，无需更换整个网络节点，大大降低了使用和维护成本；另外，也鉴于上述可拆卸设计，可以根据需要安装不同的传感模块，从而实现个性化定制。
43.进一步地，高频悬臂梁352可以采用铜材质，以使得高频悬臂梁352更容易发生振动变形。低频悬臂梁362可以采用不锈钢材质。
44.高频悬臂梁352和低频悬臂梁362的自由端均连接有质量块，以通过质量块的质量大小来调节悬臂梁的共振频率；该质量块可以采用钨块。
45.在其中一个实施方式中，如图4所示，能量收集模块3包括第一底座32，第一底座32上连接有第一盖体33，第一盖体33和所述第一底座32之间形成第一容置腔31，第一容置腔31中设置有垫片34，垫片34上具有开口341，低频悬臂梁362在振动运动中经开口341与高频悬臂梁352发生碰撞，使得高频悬臂梁352产生电压输出，产生电能。
46.通过第一底座32和第一盖体33，使得低频悬臂梁362、垫片34和高频悬臂梁352所构成的整体被夹持固定。
47.垫片34夹在高频悬臂梁352和低频悬臂梁362中间以用来保持间距，且可以通过调整垫片34的厚度来高频悬臂梁352和低频悬臂梁362的间距。
48.其中，第一底座32和第一盖体33可以通过螺栓连接，以便于安装和拆卸。
49.在其中一个实施方式中，多个传感模块中至少存在一个倾角传感模块5和一个加速度传感模块6，倾角传感模块5和加速度传感模块6均包括第二容置腔51，第二容置腔51中均设置有第二压电梁36，倾角传感模块5、加速度传感模块6和能量收集模块3中的第二压电梁36呈相互垂直设置，以实现三轴传感。
50.例如，如图2和图10所示，倾角传感模块5的第二压电梁36处于x轴方向、加速度传感模块6第二压电梁36处于y轴方向，能量收集模块3中的第二压电梁36处于z轴方向，x轴方向、y轴方向和z轴方向两两垂直。
51.该结构实现了三轴传感，可以获取三个不同方向的振动信号。三个方向的第二压电梁36受到外部激励后会产生三通道的电压信号，电压信号经过控制模块2发送给无线传输模块4，再传输至电脑终端，电脑终端就可以对三个方向的电压信号进行综合分析，从而得出节点的振动加速度、倾斜角度和频率等，有效提升了检测准确度，整体结构也更加简单。
52.三轴传感的整个过程不需要额外的外部供电，利用受到外界激励后各个第二压电梁36自身变形产生的电压信号作为传感信号来使用。
53.在其中一个实施方式中，如图3和图5所示，倾角传感模块5和加速度传感模块6均包括第二底座52，第二底座52上连接有第二盖体53，第二盖体53和第二底座52之间形成第二容置腔51。
54.在其中一个实施方式中，壳体1的上部和下部均连接有能量收集模块3。以收集不同方向的振动能量。
55.在其中一个实施方式中，全部传感模块和无线传感模块围绕壳体1的轴线布置，例如，壳体1采用正方体，各个传感模块和无线传感模块均设置在壳体1的侧面，每个侧面设置一个模块，上述设置方式一方面可以提高整体结构的空间利用率，缩小整体占用空间，提升产品集成度；另一方面，由于控制模块2位于壳体1内部中心，全部传感模块和无线传感模块均环绕在控制模块2四周，利于缩短信号传输路径，提高传输效率，也更利于线路布置。
56.在其中一个实施方式中，多个传感模块中至少存在温湿度传感模块7、气体传感模块、压力传感模块中的一种或多种。例如，可以在布置有倾角传感模块5、加速度传感模块6的基础上，再增设温湿度传感模块7、气体传感模块、压力传感模块中的一种或多种，实现多种不同信号的采集，实现多功能的集成。
57.其中，温湿度传感模块7用于检测环境温湿度，体传感模块用于检测环境中的有害气体情况。
58.在其中一个实施方式中，如图6所示，温湿度传感模块7包括第三盖体71，第三盖体71和第三底座72通过螺栓连接，第三盖体71和第三底座72之间形成放置温湿度传感电路板73的空间。
59.在其中一个实施方式中，如图7所示，无线传输模块4包括第四盖体41，第四盖体41和第四底座42通过螺栓连接，第四盖体41和第四底座42之间形成放置无线传输电路板43的空间。
60.在其中一个实施方式中，能量收集模块3、无线传输模块4和传感模块均通过螺栓和壳体1相连接。
61.在其中一个实施方式中，如图8和图11所示，控制模块2包括整流储能模块21和信号采集控制模块23；能量收集模块3通过压电效应产生的电能为交流电，整流储能模块21用于将能量收集模块3输出的交流电转换成直流电并进行存储；并通过整流储能模块21给信号采集控制模块23供电；
62.全部传感模块均于信号采集控制模块23电连接，信号采集控制模块23用于将各传感模块产生的信号传输至无线传输模块4，并由无线传输模块4传输至电脑终端，电脑终端的控制反馈的控制指令也可以通过无线传输模块4发送回节点。
63.其中，整流储能模块21也可以直接给无线传输模块4供电，或者直接给各传感模块供电。
64.控制模块2还包括稳压模块22，稳压模块22是将整流储能模块21输出的电压稳定在固定电压值，再将稳压的电能传输至信号采集控制模块23，以实现稳定供电。
65.在其中一个实施方式中，高频悬臂梁352的顶面和顶面均粘贴有压电元件，以增强发电效果。
66.上述实施例的自供电模块化无线传感网络节点，能够收集环境中振动能源转换为电能，为节点中的其他功能模块供电，实现了一个可完全自供电的传感节点；采用了模块化
的可拆卸结构，能够根据环境和应用场景更换功能模块，使用方便灵活；可以将能量收集、加速度传感、信号采集和无线传输集成在一个节点中，功能完备、集成度高，应用范围广；可以将传感节点用于环境监测和故障检测，从而可以在交通、采矿、工业生产力和智能家居等多个领域采用。整体结构简单、可进行定制化加工且具有较高的智能性，利于推广和应用，通过大规模分布这种传感器节点，更利于以较低的成本建立智能传感器网络。
67.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：包括壳体，所述壳体内部设置有控制模块，所述壳体外部可拆卸地连接有能量收集模块、无线传输模块和多个传感模块；所述能量收集模块用于给所述控制模块供电，所述无线传输模块和传感模块均与所述控制模块电连接；所述能量收集模块包括第一容置腔，所述第一容置腔内设置有第一压电梁和第二压电梁，所述第一压电梁包括第一支撑框架，所述第一支撑框架上连接有高频悬臂梁，所述第二压电梁包括第二支撑框架，所述第二支撑框架上连接有低频悬臂梁，所述高频悬臂梁和低频悬臂梁上均粘贴有压电元件；所述高频悬臂梁的共振频率大于所述低频悬臂梁的共振频率；所述高频悬臂梁和低频悬臂梁呈间隔设置，所述低频悬臂梁用于在振动运动中与高频悬臂梁发生碰撞，使得高频悬臂梁产生电压输出。2.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述能量收集模块包括第一底座，所述第一底座上连接有第一盖体，所述第一盖体和所述第一底座之间形成所述第一容置腔，所述第一容置腔中设置有垫片，所述垫片上具有开口。3.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：多个传感模块中至少存在一个倾角传感模块和一个加速度传感模块，所述倾角传感模块和加速度传感模块均包括第二容置腔，所述第二容置腔中均设置有第二压电梁，所述倾角传感模块、加速度传感模块和能量收集模块中的第二压电梁呈相互垂直设置。4.根据权利要求3所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述倾角传感模块和加速度传感模块均包括第二底座，所述第二底座上连接有第二盖体，所述第二盖体和所述第二底座之间形成所述第二容置腔。5.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述壳体的上部和下部均连接有所述能量收集模块。6.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：全部所述传感模块和所述无线传感模块围绕所述壳体的轴线布置。7.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述多个传感模块中至少存在温湿度传感模块、气体传感模块、压力传感模块中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述能量收集模块、无线传输模块和传感模块均通过螺栓和所述壳体相连接。9.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述控制模块包括整流储能模块和信号采集控制模块，所述整流储能模块用于将能量收集模块输出的交流电转换成直流电并进行存储，所述整流储能模块用于给信号采集控制模块供电，全部所述传感模块均于所述信号采集控制模块电连接，所述信号采集控制模块用于将将传感模块产生的信号传输至无线传输模块，并由无线传输模块传输至电脑终端。10.根据权利要求1所述的自供电模块化无线传感网络节点，其特征在于：所述高频悬臂梁的顶面和顶面均粘贴有压电元件。

技术总结
本发明涉及一种自供电模块化无线传感网络节点，包括壳体，壳体内部设置有控制模块，壳体外部可拆卸地连接有能量收集模块、无线传输模块和多个传感模块；能量收集模块包括第一容置腔，第一容置腔内设置有第一压电梁和第二压电梁，第一压电梁包括高频悬臂梁，第二压电梁包括低频悬臂梁，高频悬臂梁和低频悬臂梁上均粘贴有压电元件；高频悬臂梁和低频悬臂梁呈间隔设置，低频悬臂梁用于在振动运动中与高频悬臂梁发生碰撞，使得高频悬臂梁产生电压输出。本发明可以高效俘获振动能量而实现稳定高效的自供电；整体结构简单且集成度高，各模块采用可拆卸设计，更便于安装和更换，大大降低了使用和维护成本。使用和维护成本。使用和维护成本。


技术研发人员：刘会聪 黄曼娟 冯孝为 孙立宁
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/11