MIT開發(fā)出了一種無需電池、自供電的傳感器

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種無需電池、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，這種傳感器可以被嵌入到難以觸及的地方，比如船舶發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。在那里，它可以長時間自動收集有關(guān)機(jī)器耗電量和運行情況的數(shù)據(jù)。

研究人員制造了一種溫度感應(yīng)裝置，它能從電線周圍露天產(chǎn)生的磁場中獲取能量。人們只需將傳感器夾在帶電導(dǎo)線（可能是為電機(jī)供電的導(dǎo)線）周圍，它就會自動收集并儲存能量，用來監(jiān)測電機(jī)的溫度。

"這就是環(huán)境電能--我不必通過特定的焊接連接就能獲得的能量。"電子研究實驗室成員、電子工程與計算機(jī)科學(xué)（EECS）伊曼紐爾-蘭茲曼（Emanuel E. Landsman）教授兼機(jī)械工程學(xué)教授 Steve Leeb 說："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)會傳感器雜志》1 月刊上的特寫文章中，研究人員為能量收集傳感器提供了一個設(shè)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程中持續(xù)感知和控制能量流的設(shè)備的關(guān)鍵組件繪制了路線圖。

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

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

與 Monagle 和 Leeb 一起參與論文撰寫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）沒有參與這項工作，他研究的是監(jiān)控艦船系統(tǒng)的技術(shù)。他說，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(shè)備有嚴(yán)格限制。

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

研究人員必須應(yīng)對三大挑戰(zhàn)，才能開發(fā)出一種有效、無需電池的能量收集傳感器。

首先，系統(tǒng)必須能夠冷啟動，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動電子設(shè)備。他們利用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了這一點，使系統(tǒng)能夠儲存能量，直到達(dá)到一定的閾值。只有當(dāng)系統(tǒng)儲存了足夠的能量，可以完全運行時，它才會開啟。

其次，該系統(tǒng)必須在不使用電池的情況下有效地儲存和轉(zhuǎn)換所收集的能量。雖然研究人員可以在系統(tǒng)中加入電池，但這會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并可能帶來火災(zāi)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有。相反，我們的系統(tǒng)是免維護(hù)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(nèi)部儲能技術(shù)，包括一系列電容器。電容器比電池更簡單，它將能量儲存在導(dǎo)電板之間的電場中。電容器可由各種材料制成，其功能可根據(jù)各種工作條件、安全要求和可用空間進(jìn)行調(diào)整。

研究小組精心設(shè)計了電容器，使其足夠大，能夠儲存設(shè)備開啟和開始收集電能所需的能量，但又足夠小，充電階段不會花費太長時間。

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

最后，他們開發(fā)了一系列控制算法，對設(shè)備收集、儲存和使用的能量進(jìn)行動態(tài)測量和預(yù)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，并推斷是否要打開或關(guān)閉傳感器、進(jìn)行測量，或者將收割機(jī)調(diào)到更高的檔位，以便收集更多能量，滿足更復(fù)雜的傳感需求。

Monagle 解釋說："就像騎自行車時換擋一樣，能量管理界面會查看收割機(jī)的工作情況，主要是看它是踩得太用力還是太輕，然后它就會改變電子負(fù)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(shè)計框架，研究人員為一個現(xiàn)成的溫度傳感器構(gòu)建了一個能量管理電路。該設(shè)備采集磁場能量并用于持續(xù)采樣溫度數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)接口。

研究人員使用超低功耗電路來設(shè)計該裝置，但很快發(fā)現(xiàn)，這些電路在崩潰前可承受的電壓有嚴(yán)格限制。收集過多的電能可能會導(dǎo)致設(shè)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(tǒng)會在存儲的能量過多時自動調(diào)整或減少收集量。他們還發(fā)現(xiàn)，通信--傳輸溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)--是迄今為止最耗電的操作。Monagle說："確保傳感器有足夠的存儲能量來傳輸數(shù)據(jù)是一項長期的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計。"

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

"如果你只進(jìn)行你認(rèn)為需要的測量，你可能會錯過一些真正有價值的東西。如果有更多的信息，你可能會了解到一些你意想不到的設(shè)備運行情況。我們的框架可以讓您平衡這些考慮因素，"Leeb 說。

"這篇論文詳細(xì)闡述了實用的自供電傳感器節(jié)點在現(xiàn)實場景中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。"佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)-佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程學(xué)院電氣與計算機(jī)工程助理教授 Jinyeong Moon 說："整體設(shè)計指南，尤其是冷啟動問題，非常有幫助。計劃為無線傳感器節(jié)點設(shè)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(tǒng)上與冷啟動相關(guān)的繁瑣清單。"

這項工作得到了海軍研究辦公室和 Grainger 基金會的部分支持。