能量收集促进构建公共道路和桥梁的健康监测

结构健康监测（SHM）公共道路和桥梁需要连续测量，但可以利用供电的嵌入式多传感器环境能源。在可用资源、能量与交通相关的可以产生传感器节点建立到现有的基础设施或添加新建筑。1967、银的俄亥俄河大桥坍塌造成46人死亡，促使人们创造更强大的检查要求在1968和1970的联邦高速公路法案。近五年在2014美国运输部（DOT）后指出，美国610749的公共桥梁百分之23.9被认为是结构或功能缺陷。
今天，工程师们仍然担心在现有的基础设施存在类似的缺陷。根据点、道路和桥梁的恶化源自不断磨损由于交通荷载超出原来的设计要求和快速老化由于应力。SHM基于基础设施的连续监测是确定风险结构的关键。反过来，无线监控系统提供了一个实用的结构健康监测的解决方案，避免了有线系统的费用，使现有的基础设施，更简单的配置。此外，能量收集技术的无线传感器供电免维护的关注安全性和成本将与电池的使用及其在无线传感器节点更换相关的使用。
环境资源
为结构健康监测的无线传感器节点，工程师们可以利用各种环境资源，包括太阳能，热，振动，但最佳选择往往取决于技术因素比物流，成本更低，和维护的要求与目标结构有关。例如，在繁忙的城市道路声屏障的地方，要求可以建议用于光伏（PV）太阳能收集板。
热电发电机（TEG）可以作为在某些情况下，一个引人注目的替代。TEG提供在其结构的温差发电的比例。公路基础设施、路面及路基层之间存在这样的差异。作为一个结果，而使用TEG也许SHM建成新的建设是有效的，改造现有道路的成本可能是成本高昂。
用于道路和桥梁的振动能量通常提供了一个现成的源动力和提供明显的优势是位置，否则暴露在明亮的阳光下或大的温度差异的解决方案。利用压电设备从过往车辆收获的振动，工程师可以将多个无线传感器在道路或桥梁结构–嵌入他们相对容易地在现有的或新的建筑。
振动能量
压电器件，如从测量专业和中é技术，作为电压发生器建模与电容串联电压源（图1）。通常固定在一端形成一个悬臂装置，这些装置将输出电压是其晶体结构的变形成正比。当允许Flex上休息的平面以下，这些设备产生的交流电压输出。

图1：压电器件的交流电压源产生的结构变形成比例的电压输出

在操作中，压电装置的固有频率相结合的设备的特性决定，产生的最大输出电压，其机械负荷，及其固定附着的性质。因此，使用这些设备的工程师通常确定具有固有频率接近主要的环境振动源的频率设备。工程师可以，但是，通常由质量–添加到设备端调压装置的固有频率。例如，通过添加大量的中期é尖端技术v22bl[tr]压电器件，工程师可以调整该装置的固有频率在较宽的范围（图2）。

图2：使用较重的尖端质量增加压电元件的机械负荷，工程师可以降低设备的固有频率以匹配的环境源–卓越频率，从而最大限度地提高发电的环境振动能量

[tr]如果环境光源是由低于可用压电器件的调谐频率为主，工程师也可能转向替代品如使用电磁发电机低频振动换能器。在这里，低频振动会引起铁芯在弹簧上的移动通过一个线圈，将振动能量流根据法拉第电磁感应定律。
环境动力节点
一个环境供电的无线传感器节点通常结合了微控制器（MCU）和低压的能量收集电源管理子系统的射频收发器。振动能量回收，能量收集系统依赖于一个全桥转换成可用电交流输出电压（图3）。反过来，电源管理IC（PMIC）监测收获的能量，提供给负载的电压调节，并使用任何多余的能量向外部能量存储装置，如超级电容器或充电电池。

图3：典型的振动能量采集器对压电元件的输出（突出）和依赖于电源管理IC提供稳压电源的负载管理外部能量存储装置

工程师可以找到高度集成的器件，简化了一个合适的振动能量采集子系统的设计。例如，线性技术ltc3588-1结合片上全波桥式整流、降压转换器和电源管理电路，专门设计来最大限度地从压电器件的能量（图4）。帮助优化低能量振动的能量提取，该装置包括欠压锁定（UVLO）设计能力积累电荷对输入电容器直到Buck变换器可以有效地将存储的电荷的部分输出。

图4：专业的设备，如线性技术的ltc3588-1，是专门设计来优化从传感器获取能量；在这种情况下，将一个全波整流桥收获的压电器件的交流输出电压

环境动力节点
能量收集系统提供电源的同时，无线传感器节点的功能依赖于它的传感器、处理器和通信能力。在一个典型的SHM应用，工程师可能会将振动传感器湿度传感器如hih-5030霍尼韦尔传感与控制温度传感器如1047从微芯科技。专为低功耗应用，这些器件工作在电源电压下降到2.7 V和消耗功率最小。例如，霍尼韦尔hih-5030需要电源只有200毫安的电流（典型值），而芯片1047消耗只有35毫安（典型）。
然而，在这些系统中，单片机和无线收发器，通常占主导地位的功率预算，口述的超低功率器件的选择。事实上，工程师可以找到广泛的解决方案能够在功耗上200μ/兆赫为低电压操作。同时，这些器件具有完整的模拟外设需要获取和传感器信号处理。
如Atmel MCUAVR attiny8位MCU系列可提供低至1.8 V，而仅消耗200μ/兆赫，而Silicon LabsC8051F9XX8位单片机的家庭可以供应低至0.9 V，更为苛刻的应用要求，设计师可以找到16位处理器等芯片技术PIC XLP 24F系列单片机（195μ/兆赫）和德克萨斯仪器MSP430单片机的家庭（160μ/兆赫）。事实上，TI的msp430fr5969单片机利用基片上存储器的铁电存储器的低功耗的要求实现了仅μ/ MHz的功耗水平。对于需要32位处理器的应用，工程师可以把MCU如Silicon LabsEFM3232壁虎家族，具有180μ/ MHz的典型功耗在主动模式。
对于无线通信收发器子千兆赫的频率操作实现低功耗性能最佳的混合和扩展范围。例如，领新技术LR系列ISM频段的射频发射机只需要约5毫安，同时提供串行数据速率高达10 kbps的射程达1公里。另外，工程师可以把Sub-GHz无线MCU如Silicon Labssi106x和si108x8051，结合一个8位核心，模拟外设，和sub-GHz收发器。
总结
结构健康监测是保证公共基础设施的安全性的关键要求。对道路和桥梁的健康监测，无线传感器节点，依靠从振动能量提取的功率提供了一个特别具有成本效益的解决方案，提供了一个无处不在的感知能力没有最终电池需要更换。为了简化这些系统的速度和设计，工程师可以利用现成的现成的设备包括换能器、电源管理芯片、传感器、超低功耗MCU和低功耗的无线IC。