膝关节能量收集器对无线通信传感节点供电的特性外文翻译资料

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膝关节能量收集器对无线通信传感节点供电的特性

Yang Kuang and Meiling Zhu

摘要：基于人类的能量采集器是可持续的替代电池的电力可穿戴或植入式设备和身体传感器网络的吸引力。在这里提出的工作中，膝关节能量采集器（KEH）被引入为客户建立的无线通信传感节点（WCSN）供电。KEH使用机械拔出技术来提供从几Hz到KEH的谐振频率的足够的频率上转换，以产生所需的高功率。它是由膝关节模拟器驱动的，在0.9赫兹的步行频率下再现了人体步态的膝关节运动。所产生的能量首先存储在储能电容器中，然后在能量感知接口的帮助下以突发模式释放到WCSN。WCSN配备了三轴加速度计、温度传感器和用于数据检测的光检测器。利用Jennic微控制器收集和传输测量数据到位于4米距离的基站。KEH的能量生成和系统中的能量分布通过内置的装置实时地表征。结果表明，在WCSN供电时，KEH产生的平均功率输出为1.76毫瓦。在将储能电容器充电28.4秒之后，KEH可以每1.25秒为46毫秒周期供电WCSN。结果还清楚地说明KEH所产生的能量是如何分布在系统中的，并强调了使用高性能功率管理方法的重要性。提高整个系统的性能。

关键词：压电式能量采集器; 可穿戴式; 无线传感器节点; 人体运动

1.介绍

在过去的几十年中，人们对将人体运动能量转换成电能越来越感兴趣，以提供可穿戴或植入式装置和身体传感器网络的电能。这是由于解决电池更换的需要，从而建立一个适合和便于佩戴式传感器技术的驱动。随着不断缩小的晶体管尺寸，MEMS和COMS技术的不断进步，使得能够制造具有非常低功耗的小型可穿戴或可植入传感器。这导致了传感器的应用越来越多，例如人体健康和活动监测，以及人体步态分析，然而，所有这些都需要电源的传感器目前由电池供电，并且这些电池具有有限的能量存储容量，因此寿命有限。更重要的是，当传感器的数量增加时，更换电池可能是一个问题，或者在最坏的情况下，需要进行侵入性手术。因此，基于人类的能量收集有望为可穿戴和可植入传感器提供可持续的能量，以增加其寿命并减轻更换电池的负担。

迄今为止，已经提出并测试了大量基于人类的能量发生器，它们使用各种机制来操作，包括电磁^{[1, 2 ]}，静电^{[3, 4 ]}和压电。其中压电能量采集器(Pehs)由于其结构简单、发电能力强、能量密度高等优点而受到广泛关注^{[7, 8]}。PEH的常用设计方法是将PEH的谐振频率与人体运动频率之间的间隙连接起来。这是因为在共振频率工作时，PEH的工作效率最高。然而，人体运动的频率比的异常处理机制的谐振频率低得多。这种频率不匹配导致了非常低的转导效率和低产生的电能。为了解决这个问题，已经提出了一些频率上转换技术，提供从几个赫兹到采集器的谐振频率的频率偏移，例如，基于影响^{[ 9, 10 ]}，机械采集^{[ 11 - 13 ]}，和磁性采集^{[ 6 ]}。在以前的工作中^{[ 13 ]}，本文作者之一，朱，研究了压电双晶的发电能力在机械采用有限元技术。后来，机械采集技术被实现并在旋转能量收割机上进行了试验^{[ 14 ]}。旋转能量采集器进一步发展成为膝关节能量采集器（研发），这对膝关节运动的机械能^{[ 15 ]}。在膝关节运动的驱动下，在步行频率为0.9 Hz的情况下，当KOH连接到20kOmega;的最佳电阻负载时，其平均功率为2mW。很容易看出 这类mag-nitud的现有电源特别适用于无线通信传感器和通信传感器节点的供电，但不幸的是，与大量的研究人员相比，这是非常合适的。 RS关于设计和优化基于人的传感器节点的研究已经出现，目前只对其无线通信传感器节点的供电能力进行了有限的研究。其中之一，Shenck和Paradiso^[16]使用嵌入在鞋中的PEH来驱动有源射频(RF)标签。射频标签能够发送一个短距离，12位无线识别码；能源哈尔维斯特，改编自雷设计传感器，射频标签能0.5周期每3到5个步骤而佩戴者走。另外，最近的一项研究由赵和你^{[ 17 ]}，报道了聚偏氟乙烯（PVDF）为基础的能源采集器嵌入鞋垫，能够功率无线发射器每隔6–8步当佩戴者是在1赫兹的行走。这两项研究的成功充分证明了能量采集器为无线传感器供电的能力。本文将研究一个研发能力为动力，无线传感节点（WCSN）和特有的能量分布与理解的目的，通过研发产生的能量是如何分布在系统。研究结果将为进一步提高系统的整体性能提供指导。

1. KH供电的WCSN：系统设计

图1显示了Keh驱动的WCSN的框图。它由三个模块组成：具有四个PZT双晶片(B1至B4)的keh模块，具有能量感知接口(EAI)的电源管理模块(PMM)， 一个WCSN与一个4米之外的基站。

图1 KOH驱动的WCSN的框图

2.1膝关节能量采集器

如导言中所述^[14，15]中提出的Keh是设计在膝盖外侧的，如图2(a)所示。外环嵌入压紧板固定在大腿上，内毂安装压电双模固定在小腿上。行走时，大腿和小腿绕膝盖旋转。 连接，使内轮毂和外圈相对旋转。结果，压电双晶片首先被压电体偏转，然后释放出来自由振动。用此机制，对膝关节运动的低频旋转转换为谐振（高频）的压电双晶片，从而实现大功率发电。

图2Pizzicato型膝关节能量收割机(A)原理图：Keh设计用于在膝盖外侧穿，并用支架固定在腿上(经^[15]许可复制)。 (B)安装在步进电机上的原型。

在本研究中使用了与^[14，15]中提出的相同的Keh原型--见图2(B)。四种PZT-5H双晶型(T 215-H4-303 X，尺寸38.1times;12.7times;0.38 mm3，Piezo系统公司)。美国沃伯恩) 是安装在内部轮毂25.5毫米自由长度。七十三拨子镶嵌在外环。

它们是由卡普顿制做的。聚酰亚胺薄膜(IM 8031，Advent Research Matters Ltd， Oxford, UK)。初步试验发现：(1)当梁与褶板重叠过大时，t 光束会在束体表面滑动，导致束流的缓慢释放，从而产生低能量输出；(2)当重叠度太小时，如果光束在振荡，则该折线器可能通过光束而不被分离出。在这项研究中，重叠被设置为0.5毫米，这使得梁的滑动在拔子上被最小化，同时确保拔子总是能够拔出梁。原型安装在步进电机上(M60STH88，运动控制产品有限公司)作为膝关节模拟器，再现膝关节运动。内部轮毂被支架固定， 外环由膝关节模拟器旋转。在膝关节模拟器上测试keh的主要原因是测试的重复性，因为马达可以在每次跑时精确地再现记录的步态。 他真正的步态周期从一步到下一步略有变化。KEH占的体积226立方厘米，近似质量235克。

2.2电源管理模块

由KOH产生的交流信号由四个全波整流器(DBLS103G, Taiwan Semiconductor, Taiwan）整流。整流器的直流输出串联，然后终止。 2中频电解电容器电容器。EAI，由电压监控器（MCP121, Microchip Technology, Inc., Chandler—Arizona, USA)和开关(a 2N2700 NMOS transistor with a pull resistor)被用来管理从电容器到WCSN的能量流。图3示出了在EAI管理下跨储层电容器的电压。最初，电容器电压为零，开关断开，WCSN处于非活动阶段。然后，由于KEH的输入，电压逐渐增加。当电压达到由电压监控器V1预先设定的最大电压时，开关被接通，WCSN从非活动阶段启动到活动阶段，这意味着WCSN被连接到电容器，电容器被放电到，即，功率WCSN用于感测和传输数据。电容器的电压降将由于WCSN消耗的能量而发生。当电压下降到电压监控器的检测电压V0（MCP121电压监控器的3.02 V）时，开关断开，WCSN与电容断开，即与电源断开，导致WCSN在C时变成非活动相。如果有来自KEH的输入，ApCalter可以再次充电。该系统将保持在非活动阶段，直到电容器电压再次达到V1，然后循环重复。V1可以基于为WCSN供电所需的能量来选择。对于实现的情况，它被设置为约3.2 V。

图3 在EAI监测下跨储层电容器的电压的说明

2.3无线通信传感节点

在定制的WCSN中，部署了三个传感器来收集来自周围环境的所需信息。这些传感器包括ADXL335三轴加速度计（Analog Devices International, Limerick, Ireland, UK），MCP97 00温度传感器（Microchip Technology, Inc., Chandler—Arizona, USA），和Ga1A2S100光探测器（Sharp Electronics, Ltd, London, UK）。微控制器（JN5148, NXP Semiconductors, Cheshire—Manchester, UK）被用来处理来自传感器的数据并将它们传输到基站。微控制器遵从2.4 GHz IEEE 802.15.4标准，并增加了诸如128 kb随机存取存储器和4兆位串行闪存等功能。它将中央处理单元的时钟速度设置为32 MHz，并使用时分多址（TDMA）TDMA协议在三个不同信道上以2.5 dBm无线传输数据。该基站具有收集、存储和处理WCSN发送的数据的能力，其位置为4米。WCSN的更多细节可以在别处找到（18）。值得注意的是，通过比较WCSN测量和发送的加速度与基站接收到的数据，验证了WCSN的数据感测和传输。

图4.膝关节在人体步态中的运动数据（a），示出大腿和胫之间的角度，由[15 ]（版权2012 IOP出版）的许可再现，和（b）在一个步态周期中膝关节的角位移

3 实验方法

3.1 膝关节运动

行走过程中人体受试者的膝关节运动由基于标记的运动捕捉系统测量，如文献〔15〕所述。大腿和胫之间的角度在一个步态周期中覆盖到57°，如图4所示，周期为1.1秒，对应于0.9赫兹的行走频率。控制膝关节仿真器重复再现该运动，以模拟在0.9 Hz的连续行走。值得一提的是，行走速度可以显著地影响KEH的功率输出。行走速度越高，拔出动作越快，功率输出越高〔15〕。在这项研究中，只有0.9赫兹的正常行走频率被用来表征KEH对人类平均行走速度的性能。

3.2与电阻负载连接的KEH

KEH首先被连接到可变电阻器上，以实现其发电能力。实验装置的示意图如图5（a）所示。整流器的输出串联并组合输出。

图5.与KEH连接到可变电阻负载的实验装置（A）的示意图，（B）通过KMM通过KMM连接到WCSN：在（b）中未示出与（a）虚线框中的组件相同的组件

连接在可变电阻负载上，其电阻从10Omega;变化到400Omega;Omega;。使用每个电阻，膝关节模拟器连续地再现膝关节运动60秒。通过一个NI 9229数据采集卡（National To仪，Newbury，英国）的一个通道测量每个PZT双压电晶片（VB）的电压。每个PZT双压电晶片与100Omega;电阻器串联连接，并测量这些电压（VR），以计算通过相应的PZT双晶片的电流。电阻值（100Omega;）被选择为最大化电流信号，同时保持电阻器对PZT双晶片电压比（VRVB）小。最初的测试发现，100Omega;提供了足够高的信号电平用于Ni 9229检测，但也比PZT双晶（20 KOmega;）的电IMPE舞蹈小得多，正好按要求。通过可变电阻器的电压和电流通过系统源仪表（2612B，KethyLeInvices Inc.，俄亥俄，美国）测量，其具有电流或电压测量的双通道。

在进行了测量之后，计算了系统的能量产生和消耗。KEH在时间TJ，Eg（TJ）上产生的累积能量是由四个PZT双晶（B1到B4）产生的能量之和

其中EBn和PBn分别是BN产生的累积能量和瞬时功率；VBN和VRN分别是BN和相应的100Omega;电阻器之间的电压；Dt是采样周期。

由于四个整流器串联连接，所以需要5.6伏（1.4伏）的正向电压，使整流器能够自由地进行电流。当由四个PZT双晶片产生的电压振幅的总和大于5.6 V时，即4N＝1 VBN（Tk）＞5.6时，就会发生这种情况。这意味着，即使一些PZT双晶片在短时间内产生低于1.4 V的电压，只要其他双极模产生足够高的电压，使4N＝1 VBN（Tk）＞5.6，所有整流器将导通电流并形成闭合电路。整流器在时间上的能量损失

其中IR是通过整流器的电流，它与通过可变电阻IR的电流相同。

可变电阻在时间TJ中的能量耗散

其中VR是可变电阻器上的电压。每当平均功率出现时，计算为

其中E（T1）和E（T2）分别是T1和T2时刻的能量。

3.3 KWH给WCSN供电

在WCSN供电时，KEH通过PMM连接到WCSN中，如图5（b）所示的实验装置。与图5（a）的虚线框中相同的组件在（b）中未示出。如前所述，膝关节模拟器模拟膝关节关节运动60秒。PZT双晶片电压和电流由两个NI 9229卡测量，如第3.2节所述。储能电容器电压和电流

图6.KEH所产生的平均功率作为负载电阻的函数

图7.KEH产生的能量和80KOmega;负载电阻的能量消耗

图8.（a）电压、（b）电流、（c）瞬时功率和（d）在膝关节运动的第一周期期间由KEH的一个压电双晶片（B3）产生的累积能量，其中KEH连接到WCSN

图9.KEH连接到WCSN时由四个PZT双模产生的能量

用Kethy2626B系统源表测量。WCSN上

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