一种基于摩擦纳米发电机的自供能超速唤醒报警系统

本发明涉及能量转换和电路管理，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的自供能超速唤醒报警系统。

背景技术：

1、随着物联网技术和无人驾驶技术的快速发展，交通信息的监测与收集变得愈来愈重要。作为交通事故的主要原因之一，超速驾驶被交管部门重点监测与管控。目前商用的超速监测传感器大多为有源传感器，这些传感器在进行超速监测时需要依靠外部电源供电，这不可避免的带来了定期维护和环境污染的问题。

2、例如，专利号为cn202210666406.8的发明专利提出了一种跑车超速检测系统、方法、电子设备及存储介质，该方法利用深度学习算法通过视频采集模块、跑车识别模块和超速检测模块实现对车辆的超速监测并将监测结果发送至电子警察系统，有效提高了跑车超速监测和管控的效率，但该方法监测成本较高，且在工作时依赖外部电源供电。

3、再如，专利号为cn202111166000.5的发明专利提出了一种分布式车辆超速检测系统及方法，该系统部署在本端车辆上包括后端摄像头、定位单元和分析单元三个部分，该方法利用后端摄像头获取本端车辆和后端与对端车辆的行驶图像，通过定位单元获取本端车辆的速度，最后通过分析单元根据获得的行驶图像和本端车辆速度实现对后端和对端车辆的行驶速度监测，但该超速监测方法需要外部电源供电、且通过图像识别与定位技术实现速度计算，成本较高，同时该方法不能够对车辆的超速行为作出响应，无法起到超速报警和辅助监管的作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于摩擦纳米发电机的自供能超速唤醒报警系统，依靠摩擦纳米发电机技术将交通系统中被浪费的摩擦能收集起来并转化为可利用的电能，通过采用超速唤醒模块实现了自动超速唤醒报警的功能。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于摩擦纳米发电机的自供能超速唤醒报警系统，包括：

4、能量收集模块，用于收集交通系统的机械能并转化为电能；

5、能量管理模块，与能量收集模块电性连接，用于对能量收集模块转化的电能进行处理实现高效的储存，并利用能量收集模块产生的能量为系统工作提供能量；

6、超速唤醒模块，用于超速检测和系统唤醒；

7、无线传输模块，用于将超速信号通过无线方式发送至终端；

8、所述超速唤醒模块和能量管理模块均与无线传输模块电性连接。

9、通过采用上述技术方案：车辆超速时对摩擦纳米发电机teng激励产生的输出信号经超速唤醒模块处理后自动唤醒报警系统，其中，能量管理模块利用能量收集模块产生的能量为系统工作提供能量，无线传输模块将超速信号无线发送至终端，终端在收到超速信号后采取相应的措施，如点亮危险警示灯、控制超速拍照等。

10、优选地，所述能量收集模块的主体为收集能量用摩擦纳米发电机e-teng；这里基于摩擦起电和静电感应的耦合原理，收集能量用摩擦纳米发电机e-teng将交通系统中车轮与路面之间的摩擦能收集并转化为可利用的电能。

11、优选地，所述能量管理模块包括降压单元、以及与降压单元连接的存储单元；

12、所述降压单元包括第一整流桥b1、第一电容c1、开关s1、二极管d1和电感l；所述第一电容c1和二极管d1并联连接，所述第一电容c1和二极管d1之间串联有开关s1，所述二极管d1的负极与电感l连接；

13、所述存储单元包括储能电容c2和稳压管d2；所述储能电容c2和稳压管d2并联连接。

14、通过采用上述技术方案：能量收集模块收集的能量经过能量管理模块处理将电能高效的储存在储能电容c2中，为超速报警系统被唤醒后的超速信号的发送提供能量。

15、优选地，所述超速唤醒模块包括传感用摩擦纳米发电机s-teng、以及与传感用摩擦纳米发电机s-teng连接的唤醒单元；

16、所述唤醒单元包括第二整流桥b2、第二电容c0、第一电阻r1、tvs管d3、第三电容c3、第二电阻r2和功率开关；所述第二电容c0、第一电阻r1、第三电容c3、第二电阻r2和功率开关并联连接，所述第一电阻r1和第三电容c3之间串联有tvs管d3。

17、通过采用上述技术方案：该传感用摩擦纳米发电机s-teng用于对不同速度下的车辆激励做出响应，响应输出与唤醒单元电性连接；根据teng的输出特性与外部激励速度的关系，利用唤醒单元对s-teng的响应输出进行处理实现激励速度的判断。其中，功率开关与储能电容c2电性连接；该功率开关为电压型控制器件，其通断状态由第三电容c3的电压直接控制；第三电容c3的电压与s-teng的工作面积、tvs管d3的阈值电压、第二电容c0和第三电容c3的容值以及汽车行驶的速度有关，超速报警阈值可通过改变上述参数灵活调整。

18、优选地，所述无线传输模块包括无线发射单元和无线接收单元，所述无线发射单元用于在超速系统被唤醒时无线发送超速信号；所述无线接收单元与控制终端电性连接，所述无线接收单元用于无线接收超速信号，在接收到超速信号后控制终端采取相应措施，如点亮危险警示灯、控制超速拍照等。

19、其中，所述功率开关s2分别与存储单元和无线传输模块中的无线发射单元电性连接。

20、优选地，所述收集能量用摩擦纳米发电机e-teng和传感用摩擦纳米发电机s-teng均采用独立层模式摩擦纳米发电机；所述收集能量用摩擦纳米发电机e-teng设于传感用摩擦纳米发电机s-teng的前端；即车辆先经过e-teng，再经过s-teng，二者彼此独立互不影响。

21、优选地，为了提高e-teng的输出性能和s-teng对速度的响应性；所述收集能量用摩擦纳米发电机e-teng和传感用摩擦纳米发电机s-teng均分别包括摩擦层和电极层，所述摩擦层设于电极层的上方，所述电极层的数量均为偶数，且电极层按照奇偶顺序分别串联；

22、其中，所述摩擦层采用高电负性材料和导电聚合物的复合材料；所述高电负性材料为四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等中的任意一种；所述导电聚合物为聚吡咯、聚乙烯二氧噻吩等中的任意一种；

23、所述电极层采用的导电材料为铜(cu)、铝(al)等中的任意一种。

24、优选地，为了提高teng的环境适应性和耐用性，所述收集能量用摩擦纳米发电机e-teng和传感用摩擦纳米发电机s-teng的上表面和下表面均分别设有封装层和基底层，所述封装层和基底层均采用沥青或云母等材料铺设于路面上；所述收集能量用摩擦纳米发电机e-teng的铺设面积大于传感用摩擦纳米发电机s-teng的铺设面积。

25、优选地，将收集能量用摩擦纳米发电机e-teng和传感用摩擦纳米发电机s-teng铺设于路面。当有车辆经过时，e-teng将车轮与路面之间的摩擦能通过能量收集模块收集并转化为可利用的电能，经能量管理模块处理后储存在储能电容中；s-teng产生的输出信号经过唤醒单元处理给第三电容c3充电，第三电容c3的电压与s-teng的工作面积、tvs管d3的阈值电压、第二电容c0和第三电容c3的容值以及汽车行驶的速度有关。在其他条件不变的条件下，车辆行驶速度越快，第三电容c3的电压越高，第三电容c3的电压决定功率开关的通断状态。

26、其中，车辆行驶的报警速度阈值可以通过改变传感用摩擦纳米发电机s-teng的电极层面积，tvs管d3的阈值电压、第二电容c0和第三电容c3的容值灵活调整。

27、当车辆行驶速度低于报警速度阈值时，第三电容c3的电压低于功率开关的工作电压，功率开关处于断开状态，报警系统此时处于低功耗的待机模式；

28、当车辆行驶速度超过报警速度阈值时，第三电容c3的电压超过功率开关的工作电压，功率开关闭合，报警系统被唤醒进入工作模式；此时储能电容c2为报警系统工作提供能量，无线发射模块中的无线传输单元将超速信号无线发送，无线接收单元收到超速信号后立刻控制终端采取相应的措施，如点亮警示灯和控制超速拍照等。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、1、本发明依靠摩擦纳米发电机技术将交通系统中被浪费的摩擦能收集起来并转化为可利用的电能，通过采用超速唤醒模块实现了自动超速唤醒报警的功能。

31、2、本发明的系统工作时依靠自身收集的能量，摆脱了对外部电源的依赖，同时自唤醒的工作模式避免了24小时监测带来的能量浪费，有效地提高了能量利用率。

32、3、本发明解决了交通系统中能源的收集与合理分配的问题，为基于环境能量收集的自供能监测系统提供了一种新的策略，在智能交通系统中具有巨大的经济价值和应用前景。

33、4、本发明可应用于无人看管的事故易发路段，同时可以作为一种新型的自供能超速监测技术辅助交通超速监管。