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背景介紹

環境監測在自然生態系統保護、災害預警、戰場探測等方面發揮著越來越重要和不可或缺的作用。在典型的環境監測系統（EMS）中，集成了各種傳感器來監測溫度、濕度、風速、空氣質量等。目前這些傳感器的供電技術主要依賴于可充電電池。但在不久的將來，隨著EMS的數量和密度在可能很大的環境中廣泛分布，為這些大量EMS更換電池變得具有挑戰性，甚至不切實際，特別是在人類和機器難以到達的情況下。因此，尋找驅動各種傳感器（傳感器網絡）和實現連續環境監測的電源變得越來越重要。

近年來，由于摩擦電性、壓電性、熱電性、光電性、磁電性和熱電性，從自然環境中清除太陽能、風能和波浪能的環境能量收集為解決驅動傳感器的供電挑戰提供了可能性。由于在沒有外部電源的情況下從環境中收集能量，基于這種能量收集技術的系統可以是一個可持續的自給自足系統[自供電系統]，具有很強的環境適應性和能源可持續性。到目前為止，基于摩擦電納米發電機（TENG）的一種可以直接從自然降雨等生活環境中獲取機械能的發電機在EMS領域變得越來越重要，并在全球范圍內引起了越來越多的關注。

由于自然降雨等環境中的大部分機械能通常具有能量密度低、極不規則的特點，這使得TENG每個周期產生的電力非常小，在振幅、頻率和密度上表現出高度的不規則性。直接使用這種不規則的電力作為EMS的電源會導致EMS中的不規則回路電流波動，從而淹沒傳感信號（環境刺激引起的回路電流變化），導致EMS的傳感性能不佳。因此，開發了一種由交流/直流轉換器、能量提取電路、蓄電池（電池或電容器）和電壓調節器（即LTC3588）組成的復雜電源管理，以收集TENG的不規則輸出，然后定期穩定地為傳感器供電。雖然這種額外的電源管理將TENG的不規則輸出轉換為穩定的電源，從而避免了TENG不規則輸出對EMS傳感信號的影響，但它會導致額外的能量損失，使EMS只能間歇性工作，如“睡眠”到“喚醒”的工作模式，這嚴重限制了EMS進行實時環境監測的能力。因此，迫切需要找到開發用于實時環境監測自供電傳感系統的方案。

本文亮點

1. 本工作報告了一種由TENG、校準電阻器和并聯的傳感器網絡組成的自供電和自校準環境監測系統（SSEMS），用于實時監測溫度和濕度。

2. 校準電阻器可以實時監測降雨不規則導致的TENG不規則輸出。

3. SSEMS使用該校準信號實時校準傳感信號，實現誤差小于5.0%的精確傳感。

4. 在瀑布和降雨下應用SSEMS實時監測環境溫度和相對濕度，傳感誤差低至1.0%。

圖文解析

圖1. SSEMS的設計和機制。

（A）基于TENG的自供電實時監控系統目前面臨的挑戰。各種因素導致自供電實時監測系統的傳感失敗。T，溫度；H，濕度；L，光。（B）解決挑戰的SSEMS的設計和工作機制。

圖2. 感知SSEMS的性能。

（A）基于R-TENG的SSEMS。不規則的雨滴導致R-TENG的輸出電流不規則，需要校準過程來獲得傳感器電阻。T，溫度；RH，相對濕度。（B）動態RS（=RC·IC/IS）源自IS，并在SSEMS的實際測試中由IC隨時間校準。CVS，恒壓源。（C）在雨滴高度、頻率、位置和化學成分等各種變化因素下，SSEMS的傳感性能對R-TENG的輸出不敏感。DI，去離子；L，升。

圖3. SSEMS的高精度溫度和相對濕度傳感。

（A） SSEMS測量的商用溫度傳感器的溫度RS特性（黑點）與固有特性（虛線）的比較。（B）SSEMS在循環試驗下測量的動態溫度響應范圍為25°至35°C。（C）20個SSEMS的靜態溫度傳感性能總結。（D）SSEMS在不同溫度下的高精度靜態溫度傳感及其相對誤差。插圖：在每個溫度下測量的七個數據點的分布。TM，測量溫度；TA，施加溫度。（E）通過SSEMS測量的商用RH傳感器的RH-RS特性（黑點）與固有特性（虛線）的比較。（F）SSEMS在加濕過程中測量的動態相對濕度響應（灰色背景表示用加濕器加濕的過程）。（G）20個SSEMS的靜態相對濕度傳感性能總結。（H）不同相對濕度下SSEMS的高精度靜態相對濕度傳感及其相對誤差。插圖：在每個相對濕度下測量的七個數據點的分布。RHM，測量的相對濕度；RHA，實際的相對濕度。

圖4. 基于R-TENG陣列的SSEMS。

（A）基于R-TENG陣列的SSEMS原理圖。（B）R-TENG陣列在四種不同跌落模式下的輸出電流。（C）基于R-TENG陣列的SSEMS在不同滴落模式下測量的溫度和相對濕度。（D）（C）中測量的溫度和相對濕度匯總。（E）基于R-TENG陣列的SSEMS在小雨、中雨和大雨下的溫度和相對濕度傳感性能。