自供能無線光通信的概念及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

引言

物聯(lián)網(wǎng)（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(shí)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(shù)以及海量數(shù)據(jù)的獲取處理分發(fā)技術(shù)。常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)通信主要依賴于射頻（Radio Frequency， RF）通信技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)通信的主要瓶頸。無線光通信（Optical Wireless CommunicaTIons， OWC）技術(shù)，是一種利用光的明暗進(jìn)行信號調(diào)制和傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，具有頻譜資源豐富、無處不在、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中極具應(yīng)用前景的“最后一公里接入”技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的無線光通信發(fā)射機(jī)需要復(fù)雜的信息調(diào)制電路和額外的電源供給，不適用于物聯(lián)網(wǎng)中的能量受限的應(yīng)用場景。

成果簡介

基于以上研究背景，在佐治亞理工學(xué)院校董教授、中國科學(xué)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)巧妙地利用摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出高、可以輕易的點(diǎn)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(jī)直接組合構(gòu)成最簡單的無線光通信的發(fā)射機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械信號的檢測、調(diào)制和發(fā)送。相比于傳統(tǒng)的無線光通信發(fā)射機(jī)，該裝置無需額外的電源接入和復(fù)雜的調(diào)制電路，可以實(shí)現(xiàn)最簡單直接的無線信息發(fā)送。課題組基于該思路實(shí)現(xiàn)了三種應(yīng)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(yàn)證的自供能無線觸摸板。這是摩擦納米發(fā)電機(jī)在無線光通信領(lǐng)域的首次應(yīng)用，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中機(jī)械信號的無線檢測，具有成本低廉、識別率高等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。相關(guān)工作開辟了嶄新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，以“Self-Powered Wireless OpTIcal Transmission of Mechanical AgitaTIon Signals”為題發(fā)表在Nano Energy上。

圖文導(dǎo)讀

圖1 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)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(jī)械信號

（b）利用不同結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)監(jiān)測不同的機(jī)械信號并與LED陣列組成無線光通信的發(fā)射機(jī)

（c）接收端檢測并解調(diào)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(jī)和LED連接示意圖

（b）摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓

（c）摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷轉(zhuǎn)移

（d）典型“亮”LED圖片的紅綠藍(lán)三色強(qiáng)度直方圖

（e）典型“暗”LED圖片的紅綠藍(lán)三色強(qiáng)度直方圖

（f）基于所設(shè)計的系統(tǒng)實(shí)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(jī)陣列

（b）摩擦納米發(fā)電機(jī)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(yīng)的綠色成分強(qiáng)度直方圖

（d）不同的壓力情況下LED圖片的綠色成分強(qiáng)度擬合曲線

（e）當(dāng)對角線上的四個觸控點(diǎn)被同時按壓時所檢測到的對應(yīng)壓力大小

圖4 用于用戶身份驗(yàn)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(qiáng)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(dá)圖

（d）不同的壓力情況下LED圖片的綠色成分強(qiáng)度擬合曲線

（e）用戶身份驗(yàn)證的算法流程圖

小結(jié)

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(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中機(jī)械信號的無線檢測。該系統(tǒng)巧妙地結(jié)合了摩擦納米發(fā)電機(jī)和無線光通信兩個關(guān)鍵領(lǐng)域，有效地突破了物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用前景。