自供能無線光通信系統(tǒng)的構建與應用

物聯(lián)網（Internet of Things， IoT）概念的提出，帶來了人類社會的又一次科技變革，為人們的日常生活提供了巨大的便利。這一偉大概念的落地和實現(xiàn)，離不開高性能傳感器的研發(fā)部署、高密度和低功耗通信技術以及海量數(shù)據(jù)的獲取處理分發(fā)技術。常規(guī)的物聯(lián)網通信主要依賴于射頻（Radio Frequency， RF）通信技術，有限的射頻帶寬資源可能會成為阻礙高密度、大容量傳感器網絡通信的主要瓶頸。無線光通信（Optical Wireless CommunicaTIons， OWC）技術，是一種利用光的明暗進行信號調制和傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g，具有頻譜資源豐富、無處不在、抗干擾性強等優(yōu)點，被認為是物聯(lián)網應用中極具應用前景的“最后一公里接入”技術。然而，傳統(tǒng)的無線光通信發(fā)射機需要復雜的信息調制電路和額外的電源供給，不適用于物聯(lián)網中的能量受限的應用場景。

成果簡介

基于以上研究背景，在佐治亞理工學院校董教授、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王中林院士（通訊作者）指導下，課題組成員丁文伯博士、吳昌盛、訾云龍博士首次提出了“自供能無線光通信”的概念并完成了初步的原型系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)巧妙地利用摩擦納米發(fā)電機電壓輸出高、可以輕易的點亮LED燈的天然特性，巧妙的將LED燈或者LED陣列與摩擦納米發(fā)電機直接組合構成最簡單的無線光通信的發(fā)射機，從而實現(xiàn)機械信號的檢測、調制和發(fā)送。相比于傳統(tǒng)的無線光通信發(fā)射機，該裝置無需額外的電源接入和復雜的調制電路，可以實現(xiàn)最簡單直接的無線信息發(fā)送。課題組基于該思路實現(xiàn)了三種應用，分別是自供能的無線遙控、用于壓力檢測的自供能無線觸控陣列以及用于用戶身份驗證的自供能無線觸摸板。這是摩擦納米發(fā)電機在無線光通信領域的首次應用，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對環(huán)境中機械信號的無線檢測，具有成本低廉、識別率高等特點，在物聯(lián)網、智慧城市、智慧農業(yè)中具有廣泛的應用前景。相關工作開辟了嶄新的研究和應用領域，以“Self-Powered Wireless OpTIcal Transmission of Mechanical AgitaTIon Signals”為題發(fā)表在Nano Energy上。

圖文導讀

圖1 基于摩擦納米發(fā)電機的自供能無線光通信系統(tǒng)示意圖

（a）可用于監(jiān)測各類機械信號

（b）利用不同結構的摩擦納米發(fā)電機監(jiān)測不同的機械信號并與LED陣列組成無線光通信的發(fā)射機

（c）接收端檢測并解調所需的監(jiān)測信息

圖2 自供能的無線遙控

（a）摩擦納米發(fā)電機和LED連接示意圖

（b）摩擦納米發(fā)電機的開路電壓

（c）摩擦納米發(fā)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(tǒng)實現(xiàn)的俄羅斯方塊游戲界面

圖3 用于壓力檢測的自供能無線觸控陣列

（a）透明的摩擦納米發(fā)電機陣列

（b）摩擦納米發(fā)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

（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并完成了原型系統(tǒng)的實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對環(huán)境中機械信號的無線檢測。該系統(tǒng)巧妙地結合了摩擦納米發(fā)電機和無線光通信兩個關鍵領域，有效地突破了物聯(lián)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。