自供能无线光通信的概念及系统实现方案

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、高密度和低功耗通信技术以及海量数据的获取处理分发技术。常规的物联网通信主要依赖于射频（Radio Frequency， RF）通信技术，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术，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。

成果简介

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。

图文导读

图1 基于摩擦纳米发电机的自供能无线光通信系统示意图

（a）可用于监测各类机械信号

（b）利用不同结构的摩擦纳米发电机监测不同的机械信号并与LED阵列组成无线光通信的发射机

（c）接收端检测并解调所需的监测信息

图2 自供能的无线遥控

（a）摩擦纳米发电机和LED连接示意图

（b）摩擦纳米发电机的开路电压

（c）摩擦纳米发电机的电荷转移

（d）典型“亮”LED图片的红绿蓝三色强度直方图

（e）典型“暗”LED图片的红绿蓝三色强度直方图

（f）基于所设计的系统实现的俄罗斯方块游戏界面

图3 用于压力检测的自供能无线触控阵列

（a）透明的摩擦纳米发电机阵列

（b）摩擦纳米发电机阵列与LED阵列连接示意图

（c）不同的压力情况下典型的LED图片及其对应的绿色成分强度直方图

（d）不同的压力情况下LED图片的绿色成分强度拟合曲线

（e）当对角线上的四个触控点被同时按压时所检测到的对应压力大小

图4 用于用户身份验证的自供能无线触摸板

（a）“z字型”滑动解锁示意图

（b）用户1的典型强度-时间曲线图

（c）不同用户的“z字型”滑动解锁提取的特征信息雷达图

（d）不同的压力情况下LED图片的绿色成分强度拟合曲线

（e）用户身份验证的算法流程图

小结

课题组首次提出了自供能无线光通信的概念并完成了原型系统的实现，该系统可以实现对环境中机械信号的无线检测。该系统巧妙地结合了摩擦纳米发电机和无线光通信两个关键领域，有效地突破了物联网通信中的能量和频谱两大主要的紧缺资源受限难题，具有广泛的应用前景。