人体和物体的运动监测传感器在智能家居、智慧楼宇、城市安防等领域发挥着重要的作用。然而，受限于当前电网供电和电池技术的发展，运动监测设备无法实现大规模、大范围、长时间、低成本的部署，因此难以实现泛在且永续的运动监测。事实上，我们的周边环境中存在着各种形式的绿色能源，通过环境俘能技术可以充分开发和利用这些微小能量，摆脱对电网供能或化学电池的依赖。长远来看，对环境能源的有效开发和利用也能够为实现国家“碳达峰、碳中和”的能源发展目标作出贡献。
上海科技大学信息学院智慧电气科学中心梁俊睿课题组提出了运动供能物联网平台（Vibration-powered sensing node，ViPSN），不断拓展运动供能无源物联网的理论基础与应用场景。针对物体运动实时监测的应用需求，近期他们独立提出了一个由物体自身动能提供运动监测与蓝牙通信所需能量的运动捕获无源物联网系统。
他们设计的ViPSN-pluck将ViPSN平台与瞬态弹拨运动俘能结合，实现了无需电池供电的运动捕获。与传统的运动捕获系统相比，ViPSN-pluck无需电池供电，没有电池寿命和换电维护等约束，可以实现大范围、长时间、低成本的部署。有别于过往在振动/运动能量收集相关的绝大多数学术研究和工程设计，ViPSN-pluck无需依赖连续运动激励，实现了从瞬态运动中获取足够的能量，以供应物联网节点完成力所能及的传感、计算、通信等任务。该成果已在线发表于物联网领域的国际知名学术期刊IEEE Internet of Things Journal，题为“ViPSN-pluck: a motion-powered motion detector”。
这项成果的主要完成人和论文的第一作者，信息学院2018级博士研究生李鑫介绍，“ViPSN-pluck有两大创新点，一是机械势能预存储，ViPSN-pluck通过弹拨结构将一定量的能量以机械势能的形式暂存起来，然后通过换能器将其中一部分转换成可供使用的电能。”势能预存储的方式保证了可被有效利用的电能通常高于物联网节点应用的能量需求阈值，从而实现其它能量收集技术未能实现的高确定性和可靠运行。
“三域协同设计是ViPSN-pluck的另一大创新点。”ViPSN-pluck阐述了瞬态机械收集器与无线传感节点之间的能量匹配问题，重点探讨了机械动力学、功率调理电路和低功耗嵌入式系统之间的机械、电气、信息三域协同设计。针对ViPSN-pluck的分析方法和设计思想，为未来基于运动/振动能量收集技术的无源物联网系统的研究和开发，提供了重要的理论依据和实践指南。相关工作于2021年7月在西安举办的第三届振动与能量收集应用国际会议(VEH 2021)上以口头报告的形式与领域内同行学者进行了交流，并荣获该会议的“最佳论文奖”。
ViPSN-pluck的系统框架：（a）弹拨过程不同位置示意图；（b）弹拨机构的实物图；（c）ViPSN（振动供能物联网平台）模块；（d）接收数据流程。
第三届振动与能量收集应用国际会议“最佳论文奖”获奖证书
除了坚持独立原创研究，梁俊睿课题组一直以来也坚持与国内外学者开展科研合作，务实地拓展针对运动供能无源物联网技术的基础研究和应用机会。课题组与新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院Yaowen Yang教授团队开展合作，提出了一款折纸式的微能量摩擦发电机，并成功结合摩擦发电机与ViPSN运动供能物联网平台，实现了基于摩擦发电机的低功耗蓝牙Beacon物联网节点。该研究成果近期发表于能源领域的国际知名学术期刊Applied Energy，题为“Triboelectric energy harvesting using an origami-inspired structure”。
梁俊睿课题组系列研究工作充分表明，ViPSN运动供能物联网开发平台具有较广泛的适用性，兼容诸如磁电式、压电式、静电式（摩擦）等不同机电换能机理的动能收集器，能够高效地助力针对不同应用场景的运动供能物联网系统的原理验证和工程开发。
折纸式摩擦纳米发电机和基于ViPSN运动供能的物联网蓝牙节点
上述研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金项目的支持。梁俊睿教授为相关论文的通讯作者和共同通讯作者。
文章链接：
1. https://ieeexplore.ieee.org/document/9490318
2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261921013325
沪公网安备 31011502006855号