張浩凌，崔 娟*，鄭永秋，劉亞兵，楊路余，李 剛，薛晨陽(yáng)

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司裝備管理部，山西 陽(yáng)泉 045008)

隨著制造業(yè)不斷向著自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展，大型機(jī)械設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能與自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。 因此，設(shè)備運(yùn)行中的多節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)愈發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注[1]。 在諸多診斷方法和監(jiān)測(cè)設(shè)備中，振動(dòng)信息與溫度信息是反映機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。 前者能直觀地反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而后者可用于判斷機(jī)械設(shè)備的重要組件部位[3]是否過(guò)度發(fā)熱或其所處的工作環(huán)境是否異常。

傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置大多使用鋰電池供電或有線供電[4]。 采用鋰電池供電的監(jiān)測(cè)裝置，電池壽命有限，難以保證監(jiān)測(cè)裝置的連續(xù)運(yùn)行，并且進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)后[5]，會(huì)造成更換電池工作量過(guò)大的問(wèn)題。 對(duì)于有線供電的監(jiān)測(cè)裝置，其電纜鋪設(shè)困難，特別在一些特殊工況(如礦井采集、石油勘探等)環(huán)境中，還需對(duì)電纜進(jìn)行鎧裝防護(hù)，極大地增加了成本。因此，維持無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期、可靠供電成為機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)用化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的瓶頸。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的鄒翔宇、劉燕等人[6]通過(guò)優(yōu)化移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)輻射射頻能量的方式，降低節(jié)點(diǎn)功耗并補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)能量，使網(wǎng)絡(luò)有效生命周期延長(zhǎng)了2.8 倍，但是該能量補(bǔ)充方式效率較低，難以完全實(shí)現(xiàn)能量的供需平衡。 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在210 470 800 輪運(yùn)行周期后，70%的節(jié)點(diǎn)無(wú)法繼續(xù)工作。 中北大學(xué)的穆錦標(biāo)、穆繼亮等人[7]提出了一個(gè)應(yīng)用于采煤機(jī)等大型煤炭開(kāi)采設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的俘能器采用磁懸浮結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)中懸浮磁鐵體積過(guò)大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安置后無(wú)法啟動(dòng)，因而該狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)難以在傳統(tǒng)大型機(jī)械設(shè)備正常工作。 并且該系統(tǒng)采用的能源管理策略并不完善，在關(guān)閉無(wú)線模塊的休眠模式下，節(jié)點(diǎn)功耗仍達(dá)到10 mW。 上海交通大學(xué)的胡國(guó)勝等人[8]提出了一種用于遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測(cè)的自供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用壓電、電磁復(fù)合式發(fā)電機(jī)采集環(huán)境中的風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)的復(fù)合發(fā)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)速8 m/s 的測(cè)試環(huán)境中共計(jì)輸出功率23.4 mW，此結(jié)構(gòu)輸出功率極高但對(duì)振動(dòng)響應(yīng)不理想，無(wú)法作為采集設(shè)備振動(dòng)能量的解決方案[9]。

針對(duì)上述系統(tǒng)存在的功耗及應(yīng)用安裝問(wèn)題，本文提出了一種基于高效能源管理策略的自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定性的礦用型電磁式振動(dòng)俘能器，建立了雙電池交替充放電策略，并針對(duì)不同工況提出最優(yōu)的休眠模式，盡可能降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)俘能效率。 該系統(tǒng)解決了無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，達(dá)到能量的供需平衡，極大地延長(zhǎng)了裝置的續(xù)航能力，降低了特殊環(huán)境應(yīng)用中無(wú)線供電源的更換需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線機(jī)械設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接收器與上位機(jī)界面組成。 其中無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由振動(dòng)俘能器、電路模塊與無(wú)線通信模塊組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方案如圖2 所示，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)磁吸安放在大型機(jī)械設(shè)備的易故障部位。 當(dāng)大型機(jī)械設(shè)備工作時(shí)，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)被節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的俘能器俘獲并轉(zhuǎn)化為可用的電量，驅(qū)動(dòng)整個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。 節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的環(huán)境振動(dòng)和溫度參量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)圖形化顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方案

2 無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

目前的微能源采集方式主要有電磁、壓電和摩擦三種方式[10-12]，考慮到實(shí)際應(yīng)用工況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的俘能器選用輸出功率較大的電磁式微能源俘能方式。 電磁式振動(dòng)俘能器的設(shè)計(jì)理念為“電磁感應(yīng)”[13]。 當(dāng)閉合線圈與磁鐵產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈切割磁感線，閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，電路內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。

所設(shè)計(jì)的振動(dòng)俘能器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，自下而上由排斥磁體、側(cè)壁滾珠、懸浮線圈、平衡磁體和電路系統(tǒng)構(gòu)成。 底部的排斥磁體與上方的平衡磁體用于限制中心懸浮線圈隨振動(dòng)而產(chǎn)生的位移行程。 通過(guò)改變排斥力矩的大小可以改變俘能器的諧振頻段。 側(cè)壁的滾珠用于減小懸浮線圈與側(cè)壁的摩擦阻力，并將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，防止線圈的側(cè)翻與卡死，提高了俘能器的穩(wěn)定性與可靠性[14]。

圖3 礦用振動(dòng)俘能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

圖4 為自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理流程圖。 俘能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交流電壓輸入到能量處理電路，經(jīng)處理后輸出穩(wěn)定4 V 電壓。 由于前端對(duì)振動(dòng)能量的采集轉(zhuǎn)換并不穩(wěn)定，因此該輸出能量除了為穩(wěn)壓器提供使能電平外，其余的能量用于為電池充電。 電池A 和電池B 通過(guò)充電選路開(kāi)關(guān)和供電選路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)充電或供電電路接入的切換。 初始狀態(tài)下，默認(rèn)電池A 同時(shí)接入充電電路與供電電路，系統(tǒng)啟動(dòng)后，主控芯片首先比較兩塊電池的電量，控制兩個(gè)選路開(kāi)關(guān)，將高電量電池接入供電電路，低電量電池接入充電電路。 接入供電電路的電池經(jīng)被使能后的穩(wěn)壓器輸出3.3 V 電壓，為后端所有元件供電。 電壓監(jiān)測(cè)芯片實(shí)時(shí)讀取兩個(gè)電池的電壓，并分別通過(guò)不同的IIC 端口，將數(shù)據(jù)傳送給主控芯片。 加速度傳感器、溫度傳感器以及無(wú)線模塊的供電分別由主控芯片打開(kāi)對(duì)應(yīng)的供電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。 其中，加速度傳感器和溫度傳感器分別通過(guò)IIC 和單總線通信方式將加速度、溫度數(shù)據(jù)傳送至主控芯片，主控芯片通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線通信模塊。

圖4 系統(tǒng)原理流程圖

3 低功耗設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方式

3.1 器件選型

受限于微能源采集環(huán)境和安裝尺寸的要求，通常微能源俘能器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，采集到的能量基本都處于mW 量級(jí)。 因此，在俘能器效率受到環(huán)境因素限制的情況下，要想降低系統(tǒng)對(duì)供電源的依賴，最直接、有效的辦法是降低系統(tǒng)的功耗，即進(jìn)行低功耗能源管理電路設(shè)計(jì)。 在低功耗設(shè)計(jì)中，對(duì)硬件電路的芯片器件選型是最重要的環(huán)節(jié)之一。

3.1.1 能量處理電路的芯片選型

電磁式振動(dòng)俘能器采集到的能量信號(hào)為交流信號(hào)，因此對(duì)采集到的能量需要先進(jìn)行整流與穩(wěn)壓處理，才能轉(zhuǎn)化為后端電路可以使用的能量。 整流、穩(wěn)壓芯片存在一定的壓降，使用過(guò)程中會(huì)造成能量損耗。 本電路選用BAS4002 整流芯片，該芯片在10 mA的小電流電路中，壓降僅為0.39 V，且可以承受較大的工作電流。 線性穩(wěn)壓芯片選取MAX16910，除了寬壓輸入的特性以外，其靜態(tài)電流極低，僅有20 μA，其輸出端的壓降最大僅有200 mV，且其輸出端的帶負(fù)載能力較強(qiáng)，可輸出較大的驅(qū)動(dòng)電流。

3.1.2 雙電池選路的芯片選型

雙電池智能交替充放電策略是本系統(tǒng)延長(zhǎng)穩(wěn)定續(xù)航的核心供電策略之一，因此雙電池選路過(guò)程中的能量損耗是電路低功耗的重要指標(biāo)之一[12]。 本系統(tǒng)選取ADI 公司生產(chǎn)的ADG619，此開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)基本的單刀雙擲選路功能，功率損耗極低，無(wú)需外部供電，通過(guò)單片機(jī)IO 口輸出的高低電平控制選路。圖5為雙電池選路電路的示意圖。

圖5 雙電池選路電路示意圖

3.1.3 控制模塊的芯片選型

系統(tǒng)主控芯片選擇TI 公司的MSP430F5438A。此芯片延續(xù)了MSP430 系列的低功耗特點(diǎn)，且在功能上有了極大的提升[15]。 在低功耗模式下，所有不需要使用的功能模塊被關(guān)閉且各IO 引腳可保持當(dāng)前電平狀態(tài)。 在低功耗模式3(LPM3)下，單片機(jī)的引腳電流僅有6 μA。 此特性十分符合本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)參量間歇性采集發(fā)送的需求。MSP430F5438A 的最小系統(tǒng)電路由主控芯片、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。 值得一提的是，由于電路系統(tǒng)為間歇性運(yùn)行，即主控芯片常處于低功耗模式下，因此無(wú)需接外部高頻晶振，而是由內(nèi)部數(shù)控振蕩器產(chǎn)生8 MHz 高頻時(shí)鐘，并在LPM3 模式下關(guān)閉。 輔助時(shí)鐘由外部32 768 Hz 低頻晶振產(chǎn)生，并將其用作定時(shí)器的時(shí)鐘源，在一定時(shí)間的休眠后再次喚醒系統(tǒng)。

3.2 硬件電路的低功耗設(shè)計(jì)

3.2.1 供電思路

系統(tǒng)供電方式采用多級(jí)供電的方式，如圖6 所示，電池A 接入供電電路后，供電系統(tǒng)分出兩路3.3 V電壓，其中一路為單片機(jī)供電，當(dāng)前端有能量被采集到，能量處理電路輸出4.2 V 電壓，此電壓連接到單片機(jī)供電電路中穩(wěn)壓器的使能端，即可驅(qū)動(dòng)主控芯片工作。 另一路為后端的傳感器系統(tǒng)供電，當(dāng)主控芯片開(kāi)始工作后，根據(jù)程序控制，通過(guò)IO 口向傳感器供電電路中的穩(wěn)壓器使能端提供高電平信號(hào)，為傳感器上電并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與傳輸。 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠時(shí)，主控芯片進(jìn)入低功耗，此時(shí)控制IO 口輸出低電平，關(guān)斷對(duì)傳感器系統(tǒng)的供電，降低電路功耗。

圖6 多級(jí)供電思路示意圖

3.2.2 傳感器電路防漏電設(shè)計(jì)

傳感器系統(tǒng)用于采集外界環(huán)境的多元參量，包含了電路的主要耗電元件。 由于這些元件僅在工作時(shí)間段才需要開(kāi)啟，因此在休眠模式下，需要完全關(guān)斷這些元件的供電，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗[16]。

模擬開(kāi)關(guān)芯片在使用過(guò)程中存在漏電流以及無(wú)法完全關(guān)斷的問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中，完全切斷其導(dǎo)通是進(jìn)一步降低電路功耗的手段之一。 本系統(tǒng)采取金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS 管)控制電源電路與傳感器電路的參考地連通的方法，MOS 管的漏極(D 極)和源極(S 極)分別連接電源電路的參考地與傳感器電路的參考地，通過(guò)主控芯片IO 引腳的電平狀態(tài)控制MOS 管的開(kāi)斷。 在傳感器需要工作的期間，主控芯片輸出控制信號(hào)將兩個(gè)參考地連通。 在休眠階段，又將其斷開(kāi)，完全切斷了在休眠階段由于模擬開(kāi)關(guān)漏電流而導(dǎo)致的能量損耗。 由于MOS 管具有電壓驅(qū)動(dòng)特性，對(duì)引腳電流要求不高，因此即便在主控芯片的LPM3 模式下，也可以保持對(duì)MOS 管的控制。 解決了模擬開(kāi)關(guān)芯片存在漏電流以及無(wú)法完全關(guān)斷導(dǎo)致的能量損耗問(wèn)題，極大地降低了休眠階段電路系統(tǒng)的損耗。

3.3 控制流程

除去硬件上的低功耗設(shè)計(jì)，還需在軟件層面設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功率管理策略來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電路的低功耗。具體的程序流程圖如圖7 所示。

圖7 控制程序流程圖

上電后，主控芯片初始化，充電選路開(kāi)關(guān)和供電選路開(kāi)關(guān)全部切換到電池A，打開(kāi)電壓監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)。首先選擇高電量電池為系統(tǒng)供電，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該電池電壓是否低于系統(tǒng)設(shè)定的閾值。 若低于閾值，說(shuō)明兩塊電池的電量都不足以支撐系統(tǒng)的工作，此時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)所有供電開(kāi)關(guān)，并為該高電量電池充電。主控芯片進(jìn)入低功耗模式，且整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入20 min長(zhǎng)休眠，休眠結(jié)束后再次讀取電池電壓并將其與閾值電壓比較，判斷系統(tǒng)是否可以啟動(dòng)。 若高于閾值，則使用此高電量電池供電，并將充電選路開(kāi)關(guān)切換到另一塊電量較低的電池，對(duì)其充電。 系統(tǒng)啟動(dòng)后打開(kāi)全部供電開(kāi)關(guān)，傳感器模塊和無(wú)線通信模塊上電工作，完成多參量的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸后，關(guān)閉電壓監(jiān)測(cè)供電開(kāi)關(guān)和負(fù)載開(kāi)關(guān)，主控芯片進(jìn)入低功耗模式且系統(tǒng)進(jìn)入5 min 短休眠。 休眠結(jié)束后，如果供電電池狀態(tài)較好，即高于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，就繼續(xù)供電。 若其放電過(guò)度，低于閾值，則切換供電電池以及充電選路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 供電電池切換后需要先進(jìn)行電壓的測(cè)量判斷，低于閾值則進(jìn)入長(zhǎng)休眠，高于閾值則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行工作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 振動(dòng)俘能器性能測(cè)試

搭建如圖8(a)所示的測(cè)試平臺(tái)，用于測(cè)試振動(dòng)俘能器的輸出性能。 電磁式振動(dòng)俘能器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性決定了此類俘能結(jié)構(gòu)適用于低頻振動(dòng)環(huán)境。 在圖8(a)所示的測(cè)試平臺(tái)中，改變信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率，在低頻段進(jìn)行掃頻測(cè)試，將俘能器連接最佳匹配阻抗8.5kΩ 的負(fù)載，利用功率分析儀測(cè)量并記錄俘能器的最佳輸出功率，測(cè)試結(jié)果如圖8(b)。 由圖可知，在9 Hz 的振動(dòng)頻率下，振動(dòng)俘能器的輸出功率達(dá)到最大值6.32 mW，此時(shí)達(dá)到俘能器的諧振頻率。 圖8(c)體現(xiàn)了改變振動(dòng)幅度對(duì)俘能器輸出功率的影響。 當(dāng)振動(dòng)頻率一定時(shí)，隨著振動(dòng)幅度逐漸增大，輸出功率也逐漸增大。

圖8 掃頻與掃幅測(cè)試

4.2 無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作測(cè)試

4.2.1 一體化封裝

將振動(dòng)俘能器、電路模塊與無(wú)線通信模塊封裝在304 不銹鋼外殼中，并進(jìn)行灌膠保護(hù)，防止在劇烈震動(dòng)下造成的結(jié)構(gòu)損壞，同時(shí)有效抑制了異常情況下電路電流過(guò)大引起的內(nèi)部自燃的現(xiàn)象。

4.2.2 無(wú)線節(jié)點(diǎn)工作測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖9 所示，將自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安置在地面平臺(tái)的采煤機(jī)上，采煤機(jī)工作產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)俘能器采集振動(dòng)能量并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，驅(qū)動(dòng)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)工作；無(wú)線接收器開(kāi)啟并連接至上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于接收并顯示無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與接收器的距離約為15 m，且無(wú)遮擋物阻礙。 在完成數(shù)據(jù)傳輸后，使用誤碼檢測(cè)程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)包按比特位進(jìn)行對(duì)比，如圖10 所示，最終測(cè)得誤碼率約為2.03%。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試

圖10 誤碼率檢測(cè)

測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以周期性地將采煤機(jī)組件所處環(huán)境的溫度、振動(dòng)以及系統(tǒng)內(nèi)的電池電量回傳到上位機(jī)，且誤碼率與丟包率較低，足以支持實(shí)際工況的使用。

在電池A 的電量下降到系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙電池供電與充電角色的切換，電池B接入供電電路，并將前端俘能器采集到的能量?jī)?chǔ)存到電池A 內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)電路對(duì)振動(dòng)能量的高效采集與利用。 圖11 為供電電路的電壓監(jiān)測(cè)圖，體現(xiàn)了實(shí)際使用中雙電池的快速響應(yīng)切換過(guò)程。

4.2.3 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作電流為33.8 mA，而休眠電流僅為0.65 mA。 在一個(gè)工作周期內(nèi)，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間約為5 s，短休眠時(shí)間為5 min，即在這個(gè)周期內(nèi)消耗的能量W1為:

在諧振頻率下，設(shè)定振動(dòng)加速度為1 gn，此時(shí)俘能器的輸出功率為6.31 mW，一個(gè)工作周期內(nèi)俘能器捕獲的能量W2為:

當(dāng)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)工作在諧振環(huán)境中時(shí)，一個(gè)工作周期內(nèi)俘能器部分可以采集0.54 mWh 的能量，足以支持電路系統(tǒng)的工作，且剩余的能量可以為電池充電。 即便環(huán)境振動(dòng)過(guò)于微弱，采集能量不足，在一定的能量積累后，系統(tǒng)仍可被喚醒，此時(shí)電池為系統(tǒng)的供電源，若有剩余的能量則將其儲(chǔ)存起來(lái)。 根據(jù)計(jì)算，只需要振動(dòng)俘能器在一個(gè)工作周期內(nèi)采集能量大于0.33 mWh，即俘能器輸出功率大于3.89 mW，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)能量輸入與輸出的平衡。

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于大型機(jī)械設(shè)備的低功耗自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于電磁發(fā)電振動(dòng)俘能器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了雙電池智能充放電與動(dòng)態(tài)功率管理策略，完成了硬件電路上低功耗與防漏電的系統(tǒng)優(yōu)化。 經(jīng)實(shí)際工況環(huán)境測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型機(jī)械設(shè)備工況環(huán)境的溫度、振動(dòng)以及電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與無(wú)線傳輸。 系統(tǒng)電路的工作電流為33.8 mA，休眠電流為0.65 mA，經(jīng)計(jì)算可得，該系統(tǒng)滿足了無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的自供電需求。 本文設(shè)計(jì)的自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅降低了實(shí)際應(yīng)用中的能源供給技術(shù)難度，還有效避免惡劣環(huán)境中線纜維護(hù)或電源更換產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，突破了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化、大面積安放與使用的技術(shù)瓶頸，為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中大型機(jī)械設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的電源供應(yīng)難題提供了行之有效的解決方案。