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佐治亚理工学院 Nano Energy:自供能无线光通信

2019-08-06 14:16:02  TAG:   

 引言

物联网(Internet of Things, IoT)概念的提出,带来了人类社会的又一次科技变革,为人们的日常生活提供了巨大的便利。这一伟大概念的落地和实现,离不开高性能传感器的研发部署、高密度和低功耗以及海量數據的獲取處理分發技術。常規的物聯網主要依赖于射频(Radio Frequency, RF)通信技術,有限的射频带宽资源可能会成为阻碍高密度、大容量传感器网络通信的主要瓶颈。无线光通信(Optical Wireless Communications, OWC)技术,是一种利用光的明暗进行信号调制和传输的通信技術,具有频谱资源丰富、无处不在、抗干扰性强等优点,被认为是物联网应用中极具应用前景的“最后一公里接入”技术。然而,传统的无线光通信发射机需要复杂的信息调制电路和额外的电源供给,不适用于物联网中的能量受限的应用场景。

成果簡介

基于以上研究背景,在佐治亚理工学院校董教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士(通讯作者)指导下,课题组成员丁文伯博士、吴昌盛、訾云龙博士首次提出了“自供能无线光通信”的概念并完成了初步的原型系统实现。该系统巧妙地利用摩擦纳米发电机电压输出高、可以轻易的点亮LED灯的天然特性,巧妙的将LED灯或者LED阵列与摩擦纳米发电机直接组合构成最简单的无线光通信的发射机,从而实现机械信号的检测、调制和发送。相比于传统的无线光通信发射机,该装置无需额外的电源接入和复杂的调制电路,可以实现最简单直接的无线信息发送。课题组基于该思路实现了三种应用,分别是自供能的无线遥控、用于压力检测的自供能无线触控阵列以及用于用户身份验证的自供能无线触摸板。这是摩擦纳米发电机在无线光通信领域的首次应用,该系统可以实现对环境中机械信号的无线检测,具有成本低廉、识别率高等特点,在物联网、智慧城市、智慧农业中具有广泛的应用前景。相关工作开辟了崭新的研究和应用领域,以“Self-Powered Wireless Optical Transmission of Mechanical Agitation Signals”为题发表在Nano Energy上。

圖文導讀

圖1 基于摩擦納米發電機的自供能無線光通信系統示意圖

佐治亚理工学院 Nano Energy:自供能无线光通信

(a)可用于監測各類機械信號

(b)利用不同結構的摩擦納米發電機監測不同的機械信號並與LED陣列組成無線光通信的發射機

(c)接收端檢測並解調所需的監測信息

圖2 自供能的無線遙控

佐治亚理工学院 Nano Energy:自供能无线光通信

(a)摩擦納米發電機和LED連接示意圖

(b)摩擦納米發電機的開路電壓

(c)摩擦納米發電機的電荷轉移

(d)典型“亮”LED圖片的紅綠藍三色強度直方圖

(e)典型“暗”LED圖片的紅綠藍三色強度直方圖

(f)基于所設計的系統實現的俄羅斯方塊遊戲界面

圖3 用于壓力檢測的自供能無線觸控陣列

佐治亚理工学院 Nano Energy:自供能无线光通信

(a)透明的摩擦納米發電機陣列

(b)摩擦納米發電機陣列與LED陣列連接示意圖

(c)不同的壓力情況下典型的LED圖片及其對應的綠色成分強度直方圖

(d)不同的壓力情況下LED圖片的綠色成分強度擬合曲線

(e)當對角線上的四個觸控點被同時按壓時所檢測到的對應壓力大小

圖4 用于用戶身份驗證的自供能無線觸摸板

佐治亚理工学院 Nano Energy:自供能无线光通信

(a)“z字型”滑動解鎖示意圖

(b)用戶1的典型強度-時間曲線圖

(c)不同用戶的“z字型”滑動解鎖提取的特征信息雷達圖

(d)不同的壓力情況下LED圖片的綠色成分強度擬合曲線

(e)用戶身份驗證的算法流程圖

小結

課題組首次提出了自供能無線光通信的概念並完成了原型系統的實現,該系統可以實現對環境中機械信號的無線檢測。該系統巧妙地結合了摩擦納米發電機和無線光通信兩個關鍵領域,有效地突破了物聯網通信中的能量和頻譜兩大主要的緊缺資源受限難題,具有廣泛的應用前景。