信息学院梁俊睿课题组在运动供能物联网方向提出极简工程设计方案

近期，上海科技大学信息学院智慧电气科学中心的梁俊睿教授团队针对运动供能物联网技术，在“微能量管理电路”和“小型机械俘能器”两方面分别提出了创新性的极简工程设计方案，有望进一步降低能量自给自足物联网节点的机电硬件成本，在更广使用范围和更长使用时间里让更多的物件实现信息获取和联网通信。

图1 针对能量收集自供能物联网设备的三晶体管微能量管理(3T-EM) 电路。

微能量管理电路

微能量收集技术（energy harvesting）为广泛分布的物联网（IoT）设备在其本地实现能量自给自足提供电能解决方案。课题组提出了一款仅由三个分立晶体管为主要器件组成的极简微能量管理电路（3T-EM），可以支持实现微能量的缓慢积累；通过监测电压阈值，在能量充足/过低的时候接通/关闭负载设备；输出经过线性稳压处理的逻辑电平，直接给集成片上系统供电。该3T-EM电路使用最少数量的电子器件实现了微能量管理的上述三个必要功能，大大降低了物料和制造成本。理论和实验都表明，3T-EM电路在输入电流低至0.4微安培时也能正常运行，间歇地提供稳定的数字电压。此外，使用分立元件搭建的3T-EM电路还具备阈值电压方便调节、额定工作电压较高等优点，可直接广泛应用于小型光伏、压电、磁电、摩擦电等无源物联网设备之中。

相关研究成果以“A three-transistor energy management circuit for energy-harvesting-powered IoT devices”为题，在物联网领域的国际学术期刊IEEE Internet of Things Journal上在线发表。上海科技大学为该研究工作的唯一完成单位，信息学院2023届博士毕业生滕雳为论文的第一作者，梁俊睿教授为通讯作者，王浩宇教授、刘宇教授、傅旻帆教授亦对此研究工作给予了指导。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10160103

图2 基于单梁结构的四合一单稳准静态小型机械俘能器。

小型机械俘能器

准静态（QST）小型机械俘能器可以在缓慢按压的过程中积累一定量的机械势能，在到达触发位置后，瞬间释放这些能量并将其转化为有用电能。课题组提出了一款四合一单稳准静态小型俘能器，仅采用一根变形铁质悬臂梁结构取代大部分商用模块中的电磁铁芯、能量缓冲弹簧、回弹弹簧、机械杠杆四个关键零件，以极简的方式实现了单稳态、准静态触发等特性。与现有的商用模块相比，可最大程度地减少机械零件的数量，提高生产一致性，减少装配步骤，有望最终实现更低的制造成本和更可靠的小型机械俘能器。实验结果表明，样机从每一轮按下/释放的动作中可收获约0.25毫焦耳的能量，足以驱动蓝牙信标（iBeacon）发射一次信号。按压信息将通过持续供电的蓝牙WiFi路由器上传至网络云服务器，在云端进行后续分析处理。

相关研究成果以“A four-in-one compact design of monostable quasi-static-toggling mechanical energy harvester”为题，在机电一体化领域的国际学术期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上在线发表。上海科技大学为该研究工作的唯一完成单位，信息学院2021级硕士研究生刘诗逸为论文的第一作者，梁俊睿教授为通讯作者。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10288530

学术获奖、专利及应用

图3 两项工作在第四届振动与能量收集应用国际会议上获论文奖。

上述两项工作在动能收集相关的国际会议上均获得了学术同行的好评。相关工作的海报展示和口头报告在2023年4月举办的第四届振动与能量收集应用国际会议（VEH 2022+1）上获“最佳海报奖”和“最佳口头报告奖”。两项发明专利申请也已提交——“三晶体管能量管理电路”（申请号202310368972.5）和“一种小型准静态电磁发电装置”（申请号202310279973.2）——并正着力对这些设计进行规模量产，以期实现以低廉的硬件成本通过“无源无线”的方式将海量运动物体携带的信息发送至互联网；此外，课题组也积极开发针对不同应用场景的物联网系统，提升整体系统和所产生数据的附加值。目前已有一些系统方案实现了现场应用。如在“上海科技大学建校十年历程回眸展”的其中一个互动展览区域中，采用了与上述工程设计方案相关的小批量试产的近30个无源无线蓝牙信标按钮，结合课题组为该展览所定制开发的应用软件，为观众提供绿色、泛在的宣传点播体验。

图4 运动供能蓝牙信标系统的三个现场应用实例。