苏大合作研发一款面向智慧物联网的模块化无线无源传感节点
2023/05/12 该成果研究了一个高度集成的无线无源智能传感节点“智能魔方”,仅有六厘米大小。魔方虽小,功能不少,它采用灵活的模块化、可拆卸结构,可以针对不同应用场景定制和替换功能模块。节点中的三轴压电传感器(TPS)由基于P(VDF-TrFE)纳米纤维薄膜的低频压电传感梁(LF-PEG)正交分布组成,作为自供电传感器检测振动加速度、频率和倾斜角度等参数,检测分辨率分别达到0.01g、0.01Hz和2°;升频式压电能量收集器(FUC-PEG)由LF-PEG和基于PZT厚膜的高频压电发电梁(HF-PEG)组成,可将环境中的低频振动能转换为高频电压输出为节点供电,归一化功率密度达到0.5 mW/cm3/g/Hz。当智能魔方受到外界振动激励时,振动能量收集模块采集振动能发电,中央控制模块采集三轴振动加速度传感信号,先采集一部分数据用于训练深度学习模型,之后便可接收实时数据结合机器学习监测振动的加速度、频率和倾角。然后将数据无线传输至终端电脑来预测状态,实现状态监测。
研究者们基于iCUPE搭建了汽车行驶状态监测系统,运行中汽车发动机振动为iCUPE提供能量和传感信息,结合机器学习完成驾驶状态识别并实时显示,实现了实时振动监测和辅助驾驶功能。此外,iCUPE还可用于极端环境如采矿设备运行状态监测,结合数字孪生技术打造可视化数字矿井,能够准确、灵敏地识别矿井泵机的运行状态,及时发现故障并发出预警。总体而言,该智能传感节点无需外部电源、成本低、可持续性高,在环境监测、自动驾驶、智慧工厂、智能家居等领域具有广阔的应用前景。
该成果提出了一种基于压电材料的无线无源智能传感节点iCUPE,在收集环境振动能发电的同时采集和分析振动信号,与人工智能物联网、机器学习和数字孪生等前沿技术融合深化,能够以低成本构建完全自供电的智慧物联网系统。研究者们希望该工作能够打造出连接万物的“智能魔方”,为开发新型AIoT节点和推动智慧城市、工业制造、自动驾驶等领域的数字化转型发展提供启示。