MIT開(kāi)發(fā)出了一種無(wú)需電池、自供電的傳感器

麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種無(wú)需電池、自供電的傳感器，可以從環(huán)境中獲取能量。由于它不需要必須充電或更換的電池，也不需要特殊的布線(xiàn)，這種傳感器可以被嵌入到難以觸及的地方，比如船舶發(fā)動(dòng)機的內部結構中。在那里，它可以長(cháng)時(shí)間自動(dòng)收集有關(guān)機器耗電量和運行情況的數據。

研究人員制造了一種溫度感應裝置，它能從電線(xiàn)周?chē)短飚a(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲取能量。人們只需將傳感器夾在帶電導線(xiàn)（可能是為電機供電的導線(xiàn)）周?chē)?，它就?huì )自動(dòng)收集并儲存能量，用來(lái)監測電機的溫度。

"這就是環(huán)境電能--我不必通過(guò)特定的焊接連接就能獲得的能量。"電子研究實(shí)驗室成員、電子工程與計算機科學(xué)（EECS）伊曼紐爾-蘭茲曼（Emanuel E. Landsman）教授兼機械工程學(xué)教授 Steve Leeb 說(shuō)："這使得這種傳感器非常容易安裝。"

在這篇刊登在《電氣和電子工程師學(xué)會(huì )傳感器雜志》1 月刊上的特寫(xiě)文章中，研究人員為能量收集傳感器提供了一個(gè)設計指南，讓工程師能夠平衡環(huán)境中的可用能量和他們的傳感需求。

論文為能夠在運行過(guò)程中持續感知和控制能量流的設備的關(guān)鍵組件繪制了路線(xiàn)圖。

這種多用途設計框架并不局限于收集磁場(chǎng)能量的傳感器，還可應用于使用其他電源（如振動(dòng)或陽(yáng)光）的傳感器。它可用于為工廠(chǎng)、倉庫和商業(yè)空間構建安裝和維護成本更低的傳感器網(wǎng)絡(luò )。

"我們提供了一個(gè)無(wú)電池傳感器的范例，它能做一些有用的事情，并證明這是一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。希望其他人也能利用我們的框架來(lái)設計他們自己的傳感器。"

與 Monagle 和 Leeb 一起參與論文撰寫(xiě)的還有電子工程與科學(xué)研究生 Eric Ponce。

美國海軍學(xué)院武器與控制工程副教授約翰-多納爾（John Donnal）沒(méi)有參與這項工作，他研究的是監控艦船系統的技術(shù)。他說(shuō)，要在艦船上獲得電源是很困難的，因為插座很少，而且對可以插入哪些設備有嚴格限制。

唐納爾補充說(shuō)："例如，持續測量泵的振動(dòng)可以為船員提供軸承和支架健康狀況的實(shí)時(shí)信息，但為加裝的傳感器供電往往需要大量額外的基礎設施，以至于不值得投資。像這樣的能量收集系統可以在船舶上加裝各種診斷傳感器，大大降低整體維護成本。"

研究人員必須應對三大挑戰，才能開(kāi)發(fā)出一種有效、無(wú)需電池的能量收集傳感器。

首先，系統必須能夠冷啟動(dòng)，這意味著(zhù)它可以在沒(méi)有初始電壓的情況下啟動(dòng)電子設備。他們利用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了這一點(diǎn)，使系統能夠儲存能量，直到達到一定的閾值。只有當系統儲存了足夠的能量，可以完全運行時(shí)，它才會(huì )開(kāi)啟。

其次，該系統必須在不使用電池的情況下有效地儲存和轉換所收集的能量。雖然研究人員可以在系統中加入電池，但這會(huì )增加系統的復雜性，并可能帶來(lái)火災風(fēng)險。

"您甚至可能連派出技術(shù)人員更換電池的奢望都沒(méi)有。相反，我們的系統是免維護的。它可以自行采集能量并運行，"Monagle 補充道。

為了避免使用電池，它們采用了內部?jì)δ芗夹g(shù)，包括一系列電容器。電容器比電池更簡(jiǎn)單，它將能量?jì)Υ嬖趯щ姲逯g的電場(chǎng)中。電容器可由各種材料制成，其功能可根據各種工作條件、安全要求和可用空間進(jìn)行調整。

研究小組精心設計了電容器，使其足夠大，能夠儲存設備開(kāi)啟和開(kāi)始收集電能所需的能量，但又足夠小，充電階段不會(huì )花費太長(cháng)時(shí)間。

此外，由于傳感器可能會(huì )在數周甚至數月后才開(kāi)啟進(jìn)行測量，因此他們要確保電容器能夠保持足夠的能量，即使有些能量會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而泄漏。

最后，他們開(kāi)發(fā)了一系列控制算法，對設備收集、儲存和使用的能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量和預算。微控制器是能源管理界面的"大腦"，它不斷檢查儲存了多少能量，并推斷是否要打開(kāi)或關(guān)閉傳感器、進(jìn)行測量，或者將收割機調到更高的檔位，以便收集更多能量，滿(mǎn)足更復雜的傳感需求。

Monagle 解釋說(shuō)："就像騎自行車(chē)時(shí)換擋一樣，能量管理界面會(huì )查看收割機的工作情況，主要是看它是踩得太用力還是太輕，然后它就會(huì )改變電子負載，從而最大限度地提高收割功率，并使收割功率與傳感器的需求相匹配。

自供電傳感器

利用這一設計框架，研究人員為一個(gè)現成的溫度傳感器構建了一個(gè)能量管理電路。該設備采集磁場(chǎng)能量并用于持續采樣溫度數據，然后通過(guò)藍牙將數據發(fā)送到智能手機接口。

研究人員使用超低功耗電路來(lái)設計該裝置，但很快發(fā)現，這些電路在崩潰前可承受的電壓有嚴格限制。收集過(guò)多的電能可能會(huì )導致設備爆炸。

為了避免這種情況，他們在微控制器中的能量收集器操作系統會(huì )在存儲的能量過(guò)多時(shí)自動(dòng)調整或減少收集量。他們還發(fā)現，通信--傳輸溫度傳感器收集的數據--是迄今為止最耗電的操作。Monagle說(shuō)："確保傳感器有足夠的存儲能量來(lái)傳輸數據是一項長(cháng)期的挑戰，需要精心設計。"

未來(lái)，研究人員計劃探索能耗較低的數據傳輸手段，如使用光學(xué)或聲學(xué)。他們還希望更嚴格地模擬和預測進(jìn)入系統的能量，或傳感器測量所需的能量，以便設備能有效地收集更多數據。

"如果你只進(jìn)行你認為需要的測量，你可能會(huì )錯過(guò)一些真正有價(jià)值的東西。如果有更多的信息，你可能會(huì )了解到一些你意想不到的設備運行情況。我們的框架可以讓您平衡這些考慮因素，"Leeb 說(shuō)。

"這篇論文詳細闡述了實(shí)用的自供電傳感器節點(diǎn)在現實(shí)場(chǎng)景中的內部結構。"佛羅里達農工大學(xué)-佛羅里達州立大學(xué)工程學(xué)院電氣與計算機工程助理教授 Jinyeong Moon 說(shuō)："整體設計指南，尤其是冷啟動(dòng)問(wèn)題，非常有幫助。計劃為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)設計自供電模塊的工程師將從這些指南中獲益匪淺，輕松勾選傳統上與冷啟動(dòng)相關(guān)的繁瑣清單。"

這項工作得到了海軍研究辦公室和 Grainger 基金會(huì )的部分支持。