MIT開發出了一種無需電池、自供電的傳感器

麻省理工學院的研究人員開發出了一種無需電池、自供電的傳感器，可以從環境中獲取能量。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，比如船舶發動機的內部結構中。在那里，它可以長時間自動收集有關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，它能從電線周圍露天產生的磁場中獲取能量。人們只需將傳感器夾在帶電導線（可能是為電機供電的導線）周圍，它就會自動收集并儲存能量，用來監測電機的溫度。

"這就是環境電能--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、電子工程與計算機科學（EECS）伊曼紐爾-蘭茲曼（Emanuel E. Landsman）教授兼機械工程學教授 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計指南，讓工程師能夠平衡環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感知和控制能量流的設備的關鍵組件繪制了路線圖。

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

"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研究生 Eric Ponce。

美國海軍學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，他研究的是監控艦船系統的技術。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備有嚴格限制。

唐納爾補充說："例如，持續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，才能開發出一種有效、無需電池的能量收集傳感器。

首先，系統必須能夠冷啟動，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動電子設備。他們利用集成電路和晶體管網絡實現了這一點，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，它才會開啟。

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，但這會增加系統的復雜性，并可能帶來火災風險。

"您甚至可能連派出技術人員更換電池的奢望都沒有。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，它們采用了內部儲能技術，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，其功能可根據各種工作條件、安全要求和可用空間進行調整。

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周甚至數月后才開啟進行測量，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，他們開發了一系列控制算法，對設備收集、儲存和使用的能量進行動態測量和預算。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，并推斷是否要打開或關閉傳感器、進行測量，或者將收割機調到更高的檔位，以便收集更多能量，滿足更復雜的傳感需求。

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，研究人員為一個現成的溫度傳感器構建了一個能量管理電路。該設備采集磁場能量并用于持續采樣溫度數據，然后通過藍牙將數據發送到智能手機接口。

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

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在存儲的能量過多時自動調整或減少收集量。他們還發現，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："確保傳感器有足夠的存儲能量來傳輸數據是一項長期的挑戰，需要精心設計。"

未來，研究人員計劃探索能耗較低的數據傳輸手段，如使用光學或聲學。他們還希望更嚴格地模擬和預測進入系統的能量，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。

"如果你只進行你認為需要的測量，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。

"這篇論文詳細闡述了實用的自供電傳感器節點在現實場景中的內部結構。"佛羅里達農工大學-佛羅里達州立大學工程學院電氣與計算機工程助理教授 Jinyeong Moon 說："整體設計指南，尤其是冷啟動問題，非常有幫助。計劃為無線傳感器節點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相關的繁瑣清單。"

這項工作得到了海軍研究辦公室和 Grainger 基金會的部分支持。