论文题目：基于摩擦纳米发电机的环境能量收集器件设计及其物联网应用
摘要：伴随着科技的进步和时代发展,物联网逐渐呈现出微小集成化、无线移动化、功能智能化的特点,万物互联的实现离不开数以万计的传感器节点的密切配合。如何为这些大量的传感器节点以及小型电子设备供电就成了制约该行业发展的一大障碍。近年来,基于摩擦起电和静电感应耦合作用的摩擦纳米发电机（TENG）在收集微幅、低频机械能方面展现出独特的优势,它可以将环境中广泛分布的机械能转化为电能为分布式传感器节点供电提供了新的解决办法。声能作为自然界分布最广泛的清洁能源之一且符合微幅机械能的特点,由于其频率分布范围广、能量密度低而导致缺乏有效的收集手段。本论文设计了一种基于绣绷结构的新型声音驱动TENG（EH-TENG）,在共振频率为170 Hz、声压为110 d B时可以产生500 V的开路电压和124μA的短路电流。在实现了EH-TENG优良电输出性能的基础上,提出了一种通用、可靠的TENG电源管理策略,采用廉价电子器件结合商用电源管理IC,实现了对多种环境能量捕获的TENG输出方式的有效控制,从而使其可以驱动任意小功率用电器尤其是商用低功耗无线传感节点。这项工作不仅为实现环境信息远程监测铺平了道路而且对推进专用的TENG能量管理集成电路的设计具有指导意义,同时也为促进TENG在物联网领域的应用提供了新思路。物联网的普及以及科学水平的提高为农业的发展注入了新的活力。通过物联网、云计算、大数据等现代信息技术与农业深度跨界融合,实现了农业发展从数字化到网络化再到智能化的高级转变。各类传感器在智慧农业中扮演了重要角色,如果能从传感器节点工作的环境当中获取能量实现自供电来保证设备可持续运行,将能够极大的促进农业领域自动化、智能化、便利化的发展。本论文中通过电磁发电机与摩擦纳米发电机的有机结合,设计了一种收集风能、太阳能的复合能量收集装置,并结合第2章中提出的普适性电源管理策略,构建了基于复合能量收集装置的温湿度监测系统与农场外围安防报警中心。通过开发手机APP实现了环境温湿度远程监测与数据共享;同时,基于NB-Io T的无源化远程红外监控为农场外围的安防工作奠定了基础。该工作不仅为农业物联网时代实现传感节点自供电和可持续运行做了有益尝试而且拓展了TENG在未来农业中的广泛应用。
关键词：环境能量;摩擦纳米发电机;电源管理策略;物联网应用;智慧农业
学科专业：电子科学与技术
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 摩擦纳米发电机基本原理
1.3 声能收集与能量管理策略研究进展
1.4 摩擦纳米发电机电源管理策略研究进展
1.5 摩擦纳米发电机在智慧农业中应用的研究进展
1.6 本论文研究内容与意义
1.6.1 研究内容
1.6.2 研究意义及创新点
参考文献
第2章 TENG制备、性能测试与电源管理策略探究
2.1 引言
2.2 器件制备
2.2.1 绣绷简介
2.2.2 制备绣绷结构的TENG(EH-TENG)
2.2.3 制备无绣绷结构的TENG
2.2.4 制备接触分离式TENG(CS-TENG)
2.2.5 制备风驱动TENG(W-TENG)
2.3 TENG工作原理
2.3.1 声音驱动TENG工作原理
2.3.2 风驱动TENG(W-TENG)工作原理
2.3.3 垂直接触分离式TENG工作原理
2.4 TENG性能表征
2.4.1 声音驱动TENG的电输出性能
2.4.2 W-TENG 与 CS-TENG 的电输出性能
2.5 电源管理策略
2.5.1 BQ25504简介
2.6 低频物联网应用
2.7 本章小结
参考文献
第3章 基于TENG的复合能量收集系统与智慧农业应用
3.1 引言
3.2 器件制备与工作原理
3.2.1 TENG的制备
3.2.2 EMG的制备
3.2.3 TENG工作原理
3.2.4 EMG工作原理
3.3 电输出性能测试
3.3.1 TENG与 EMG的电输出性能测试
3.4 复合能量收集装置在智慧农业中的应用
3.4.1 CC1310简介
3.4.2 NB-IoT无线红外感应装置
3.4.3 基于复合能量收集装置的温湿度监测系统
3.4.4 基于复合能量收集装置的智能红外感应系统
3.5 本章小结
参考文献
第4章 结论与展望
致谢