一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置。该装置由控制端、主机端两部分组成。控制端基于摩擦纳米发电机技术和气体放电装置实现了完全自供电的多种无线信号生成。主机端基于高速A/D转换器电路及嵌入式MCU芯片实现信号接收、信号转换、信号处理、信号识别等任务，并可基于嵌入式MCU为设备扩展更多功能，降低设备成本。本发明专利技术为一种实现自供电无线控制的低成本无线控制器装置。现自供电无线控制的低成本无线控制器装置。现自供电无线控制的低成本无线控制器装置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置


[0001]本专利技术涉及摩擦纳米发电机的无线控制技术，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置。

技术介绍

[0002]随着环境问题越来越受到重视，可持续发展成为了人类发展的重要主题之一，人们也在积极探索各种可再生能源，摩擦纳米发电机技术就是其中之一。由于摩擦纳米发电机基于接触带电和摩擦起电原理，应用前景广阔，目前正受到越来越多的关注。
[0003]从已经发表的文献来看，摩擦纳米发电机具有高电压低电流的输出特性，且其输出能力与摩擦纳米发电机的材料和结构关系十分紧密，因此在无线控制方面的应用较为受限。在传统的无线控制方式中，经常被采用的有Wi
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Fi、蓝牙等，若要将摩擦纳米发电机与传统无线控制方式结合，首先需要将摩擦纳米发电机的输出转换为低电压输出，并将其用于驱动无线芯片，因此所需摩擦纳米发电机的输出水平较高。采用这种方式的缺点，一方面是系统的体积较大，且由于芯片本身无法弯折，不便于设计为柔性的可穿戴设备；另一方面是输出转换过程中的效率不高，需要将摩擦纳米发电机的输出能力提高。
[0004]为了实现在较低输出能力情况下也能将摩擦纳米发电机应用于无线控制，需要改变信号产生的方式。通过在不同条件下控制气体击穿放电，以释放特征电磁波，可以达到无线信号识别的效果。且控制端可设计为柔性器件，以便于设计为可穿戴设备。同时随着嵌入式芯片运算能力的提升，边缘计算也得到了巨大的发展。目前嵌入式芯片的运算能力已足以支撑一部分较为简单的深度神经网络的计算，通过将预训练深度RNN神经网络部署到嵌入式设备上，即可以在嵌入式端实现信号的分类识别。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置。该装置由控制端和主机端两部分组成。控制端基于摩擦纳米发电机技术控制气体击穿，实现自供电生成无线信号。主机端接收到无线信号后将其从模拟数据转换为数字数据，并利用神经网络等算法对数据进行分类识别，最后输出分类结果并执行相应指令。解决了现有技术对自供电装置输出能力要求高、便携性与可穿戴性较差且成本较高的问题。
[0006]技术方案：一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，由控制端和主机端两部分组成。所述控制端由摩擦纳米发电机和气体放电装置组成，其中摩擦纳米发电机与气体放电装置相连，气体放电装置负责生成特征无线信号。用户与摩擦纳米发电机进行人机交互，摩擦纳米发电机摩擦纳米发电机用于收集用户与控制端交互过程中所转移的部分能量；摩擦纳米发电机与气体放电装置相连接，用于向气体放电装置供电。在用户执行滑动交互激励后，控制端利用摩擦纳米发电机的输出能量控制气体放电并在此过程中生成特征无线信号。所述主机端由信号接收天线、信号转换电路、MCU芯片组成，其中信号转换电路包括信号捕捉、信号传输控制两部分，MCU中包括信号传输、信号数据处理识别两部分。信号
接收天线与信号捕捉部分相连，信号捕捉部分又与信号传输控制部分和MCU中的信号传输部分相连。信号传输部分接收来自信号捕捉部分的数字数据以及信号传输控制部分的控制信号，并与信号数据处理识别部分相连。而信号数据处理识别部分与指令执行部分相连。信号接收天线接收到无线信号后，将模拟信号传递给信号转换电路。信号转换电路包括信号捕捉、信号传输控制两部分。信号捕捉部分与信号传输控制部分、MCU相连接，信号捕捉部分接收来自信号接收天线的模拟信号，将模拟信号转换为数字数据并传送至MCU，信号捕捉部分也同时为信号传输控制部分传送模拟信号。信号传输控制部分与信号捕捉部分相连，判断当前捕捉到的信号是否满足预设的传输要求，若符合要求则向MCU发送数据传输指令。MCU芯片与信号捕捉部分、信号传输控制部分相连，MCU包括信号传输、信号数据处理识别等部分。MCU接收到数据传输指令后执行数据传输，从信号捕捉部分传输数字数据并保存，传输结束后由数据处理识别部分对传输数据进行分类识别并输出结果，执行对应指令。
[0007]所述控制端由摩擦纳米发电机与气体放电装置组成。其中气体放电装置由两片气体放电电极和电极间的气隙所构成，摩擦纳米发电机的电极与气体放电装置的电极相连接，为其提供放电能量。因此可将摩擦纳米发电机的电极与气体放电电极结合制作以减小控制端的器件体积并简化电极制作流程。当摩擦纳米发电机的电极与气体放电电极结合制作时，控制端由摩擦纳米发电机外壳、电极以及电极之间的气隙所构成，其中电极和气隙均被上下两层摩擦纳米发电机外壳所包裹保护。摩擦纳米发电机的外壳构成控制端人机交互界面，需采用对人体无毒无害的材料制作，高分子聚合物通常具有较强的电负性，可采用绝缘性、耐磨性、光滑度等综合性能较好的氟塑料制作，以在保证安全性的同时得到较高的摩擦纳米发电机输出能力。气体放电装置负责产生无线信号，在用户与摩擦纳米发电机外壳进行滑动操作时会在电极上产生相应的电动势，放电电极获得足够能量后引起空气击穿放电以生成无线信号。气体放电装置的电极有多种形状，不同形状的电极互相配合时会有不同的放电过程，生成具有不同特征的无线信号，使控制端可发送多种不同控制信号，因此气体放电装置的电极形状相对固定；摩擦纳米发电机电极无需特定形状，在保证与用户交互区域的面积情况下可设计为各种不同形状，因此气体放电装置电极与摩擦纳米发电机电极结合制作时可依适用情形设计为不同的样式，例如将摩擦纳米发电机电极设计为圆弧形，而放电电极则分别由具有不同间距的三角形电极、矩形电极，三角形电极、三角形电极，三角形电极、针状电极等不同形式的电极对构成以获得多种无线信号的生成能力。
[0008]所述主机端信号转换电路部分由信号接收天线、信号捕捉部分、信号传输控制部分组成。其中信号捕捉部分包括阻抗匹配电路、信号衰减电路、保护电路、阻抗变换电路、信号放大电路、差分转换电路、电压偏置电路、高速A/D转换器等部分，信号接收天线与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路与信号衰减电路相连，信号衰减电路与保护电路相连，保护电路后连接阻抗变换电路，阻抗变换电路与信号放大电路相连，并视具体电路设计而连接至差分转换电路或电压偏置电路，而后其连接至高速A/D转换器，高速A/D转换器与数据传输部分相连，信号传输控制部分则视具体电路设计连接至阻抗匹配电路或差分转换电路或电压偏置电路。信号接收天线用于接收控制端所生成的无线信号。信号捕捉部分用于将接收到的无线信号由模拟信号转换为数字信号，并将数字信号发给数据传输部分。其中阻抗匹配电路由数个电阻和电容元件组成，用于对信号接收天线及其传输线进行阻抗匹配。阻抗匹配电路及其后部电路的整体阻抗应与信号接收天线及其传输线的阻抗相匹配。阻抗匹配可
使信号在传输过程中尽量保持原有波形不失真。信号衰减电路由数个电阻和电容元件组成，用于对信号幅值进行固定比例的衰减，并将衰减后的信号传输给保护电路。保护电路由稳压二极管构成钳位电路，用于保护后部电路，保证传入信号幅值不会超过后部电路各元件的电压限幅的同时尽量不对信号产生干扰。保护电路将对信号幅值进行检测，并将信号幅值限定在安全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，由控制端和主机端两部分组成；其特征在于：所述控制端由摩擦纳米发电机和气体放电装置组成，其中摩擦纳米发电机与气体放电装置相连，气体放电装置负责生成特征无线信号；用户与摩擦纳米发电机进行人机交互，摩擦纳米发电机摩擦纳米发电机用于收集用户与控制端交互过程中所转移的部分能量；摩擦纳米发电机与气体放电装置相连接，用于向气体放电装置供电；在用户执行滑动交互激励后，控制端利用摩擦纳米发电机的输出能量控制气体放电并在此过程中生成特征无线信号；所述主机端由信号接收天线、信号转换电路、MCU芯片组成，其中信号转换电路包括信号捕捉、信号传输控制两部分，MCU中包括信号传输、信号数据处理识别两部分；信号接收天线与信号捕捉部分相连，信号捕捉部分又与信号传输控制部分和MCU中的信号传输部分相连；信号传输部分接收来自信号捕捉部分的数字数据以及信号传输控制部分的控制信号，并与信号数据处理识别部分相连。而信号数据处理识别部分与指令执行部分相连；信号接收天线接收到无线信号后，将模拟信号传递给信号转换电路；其中信号转换电路包括信号捕捉、信号传输控制两部分；信号捕捉部分与信号传输控制部分、MCU相连接，信号捕捉部分接收来自信号接收天线的模拟信号，将模拟信号转换为数字数据并传送至MCU，信号捕捉部分也同时为信号传输控制部分传送模拟信号；信号传输控制部分与信号捕捉部分相连，判断当前捕捉到的信号是否满足预设的传输要求，若符合要求则向MCU发送数据传输指令；MCU芯片与信号捕捉部分、信号传输控制部分相连，MCU包括信号传输、信号数据处理识别；MCU接收到数据传输指令后执行数据传输，从信号捕捉部分传输数字数据并保存，传输结束后由数据处理识别部分对传输数据进行分类识别并输出结果，执行对应指令。2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，其特征在于：其中气体放电装置由两片气体放电电极和电极间的气隙所构成，摩擦纳米发电机的电极与气体放电装置的电极相连接，为其提供放电能量；摩擦纳米发电机的电极与气体放电电极结合制作，控制端由摩擦纳米发电机外壳、电极以及电极之间的气隙所构成，其中电极和气隙均被上下两层摩擦纳米发电机外壳所包裹保护；摩擦纳米发电机的外壳构成控制端人机交互界面，气体放电装置负责产生无线信号，在用户与摩擦纳米发电机的外壳进行滑动操作时会在电极上产生相应的电动势，放电电极获得足够能量后引起空气击穿放电以生成无线信号；气体放电装置的电极有多种形状，不同形状的电极互相配合时会有不同的放电过程，生成具有不同特征的无线信号，使控制端可发送多种不同控制信号，因此气体放电装置的电极形状相对固定；摩擦纳米发电机电极无需特定形状，在保证与用户交互区域的面积情况下可设计为各种不同形状，因此气体放电装置电极与摩擦纳米发电机电极结合制作时可依适用情形设计为不同的样式。3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，其特征在于：将摩擦纳米发电机电极设计为圆弧形，而放电电极则分别由具有不同间距的三角形电极、矩形电极，三角形电极、三角形电极，三角形电极、针状电极或不同形式的电极对构成以获得多种无线信号的生成能力。4.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，其特征在于：摩擦纳米发电机的外壳可采用氟塑料如PTFE、FEP材料或硅橡胶材料。5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电控制器装置，其特征
在于：其中信号捕捉部分包括阻抗匹配电路、信号衰减电路、保护电路、阻抗变换电路、信号放大电路、差分转换电路、电压偏置电路、高速A/D转换器，信号接收天线与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路与信号衰减电路相连，信号衰减电路与保护电路相连，保护电路后连接阻抗变换电路，阻抗变换电路与信号放大电路相连，并视具体电路设计而连接至差分转换电路或电压偏置电路，而后其连接至高速A/D转换器，高速A/D转换器与数据传输部分相连，信号传输控制部分则视具体电路设计连接至阻抗匹配电路或差分转换电路或电压偏置电路；信号接收天线用于接收控制端所生成的无线信号。信号捕捉部分用于将接收到的无线信号由模拟信号转换为数字信号，并将数字信号发给数据传输部分；其中阻抗匹配电路由数个电阻和电容元件组成，用于对信号接收天线及其传输线进行阻抗匹配；阻抗匹配电路及其后部电路的整体阻抗应与信号接收天线及其传输线的阻抗相匹配；信号衰减电路由数个电阻和电容元件组成，用于对信号幅值进行固定比例的衰减，并将衰减后的信号传输给保护电路；保护电路由稳压二极管构成钳位电路，用于保护后部电路，保证传入信号幅值不会超过后部电路各元件的电压限幅的同时尽量不对信号产生干扰；保护电路将对信号幅值进行检测，并将信号幅值限定在安全范围内；保护电路的输出连接至阻抗变换电路，阻抗变换电路通常由增益为1的电压跟随器电路构成，其组成包括低输入偏置电流运算放大器以及数个电阻元件，用于将其前部和后部的电路进行隔离，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，朱子周，张然，聂逸菲，吴亚辛，袁美松，尹驯涛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：