随着电子技术的发展，新的环境振动能源——压电振动发电应运而生。压电自发电能源装置相对于其他微型发电装置，其具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，因此，压电自发电装置广泛应用于不同领域，从而使其成为自供能系统研究领域中的焦点，在实际应用中有广阔的发展前途，同时也为无线传感器网络节点能源开辟了新途径。

1.压电自发电的基本原理

压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应。根据压电陶瓷材料的正压电效应：当压电陶瓷材料受外力作用时，由于极化的存在，导致上、下两表面有正、负电荷产生，反向施加压力则会产生相反的电荷，外力撤除，电荷消失。因此，通常对压电振子不断施加压力使其振动形变，产生交变电荷。此时，压电陶瓷表面将出现束缚电荷，基于压电陶瓷的发电原理正是利用压电材料的正压电效应将机械振动转化为电能。压电振动能量收集原理图如图8-21所示。

图8-21 压电振动能量收集原理图

试验中以压电晶片PZT5A为材料，其长为10mm，宽为10mm，厚为0.5mm。对该压电晶片沿x方向施加交变正弦作用力，该正弦作用力的峰值为20N，频率为100Hz，连接在2个电极的模拟负载的电阻为400kΩ。图8-22、图8-23为对该压电振子进行模拟得到的输出电流和电压波形。

因压电陶瓷材料每次受压产生的电荷量不大，故需采用特定的电荷收集技术将这些电荷收集存储起来，并作为供电单元给无线传感器网络节点供电。

2.新型压电能量收集模块LTC3588-1

（1）传统的能量收集和储存装置

国内外研究学者在前阶段的研究中，能量收集装置多采用改进后的标准电荷捕获电路。压电自发电单元在机械振动作用下产生的交流电信号需经桥式整流、滤波和DC-DC电压变换单元电路后，输出的稳定的电信号再由储能元件储存起来。

图8-22 输出电流波形

图8-23 输出电压波形

（2）新型的能量收集和储存装置

目前，美国凌力尔特公司据此推出新型压电能量收集模块LTC3588-1，以优化低压能源。LTC3588-1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电传感器收集环境中的振动能量，然后将这种能量转换成调节好的输出，可以很好地为微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。(www.daowen.com)

LTC3588-1的输入交流电压为2.7～20.0V，其门限电压值为12V，可设定4种不同的电压输出：1.8V、2.5V、3.3V和3.6V。LTC3588-1可直接与压电自发电单元相连，对压电自发电单元在形变时所产生的交流电压进行整流，并通过外部存储电容器进行滤波、存储，同时通过内部并联稳压器稳压、限幅。LTC3588-1有11个引脚，当DI为高电平、DO为低电平时，其输出电压为3.3V。典型的能量收集和储存装置如图8-24所示。

图8-24 压电能量收集模块输出3.3V电压典型电路

图8-25 两种收集装置给超级电容充电特性曲线

（3）两种能量收集和储存装置实验数据比较

实验中，通过压电陶瓷振动发电，储能元件采用超级电容储存电荷。图8-25为采用改进后的电荷捕获电路和采用新型压电能量收集模型LTC3588-1给超级电容充电时的电压曲线图。由图可见，采用新型压电能量收集模块LTC3588-1的电荷捕获效率高于改进后的电荷捕获电路，充电到工作电压3.3V时间较短。

3.基于压电能量收集模块供电的无线传感器网络节点

应用于环境监测的无线传感器网络节点主要由压电发电单元、压电式能量收集电源、微处理器模块、无线发射模块、传感器模块5部分组成。节点框图如图8-26所示。

图8-26 无线传感器网络节点框图

依据其特性，主要从低功耗这方面来设计无线传感器网络节点。选用的微处理器模块主要采用MSP430F169，该单片机是一种16位的混合信号处理器，一个12位8通道自带采样保持的模数转换器，6个通用8位I/O口，外部工作电压典型参数为3.3V。对于传感器模块选型，以环境温度为例，传感器模块选用型号为TMP20的模拟输出温度传感器，该模拟温度传感器的工作电压为1.8～5.5V，此时外部提供3.3V电压。其功耗低，最大电流仅为4A，温度范围在-55～+130℃时精确度为2.5%，无线发射模块选用CC2420，该芯片体积小、功耗低，外部工作电压为3.3V。由于无线传感器网络节点中选用的微处理器模块和传感器模块工作电压均为3.3V。该系统工作过程是电源模块来源于压电自发电单元，压电陶瓷片受周围环境振动产生形变时，由于压电陶瓷的正压电效应，在压电陶瓷两端产生交变电信号。该电信号经LTC3588-1转化为3.3V电压，为无线传感器网络节点提供电源。图8-27为无线传感器网络节点硬件接口电路原理图。模拟温度传感器TMP20主要采集周围环境的温度数据，然后经MSP430F169单片机内部的12位A-D进行模数转换并处理，处理后得到的信号通过无线发射模块CC2420及天线发送给相邻节点。

图8-27 无线传感器网络节点硬件接口电路原理图

节点在收发信息时，由于压电发电单元的输出功率约为80mW，而温度传感器TMP20在待机状态下电流为3.3mA，工作时的电流为1.5mA；单片机MSP430F169在待机模式下电流为2.6mA，正常工作时电流为5mA；发射模块CC2420在空闲模式下电流为4.26mA，接收模式下电流为18.8mA，发送模式下为17.4mA。由以上数据可知，如果采用间歇发射，如隔1～2min发射，则采用压电自发电单元产生的功率大于无线传感器网络节点中温度传感器、单片机和无线收发模块的功率，此时能满足节点工作需求。