自供电传感器自动收集磁能

麻省理工学院的研究人员开发了一种无电池、自供电的传感器，可以从环境中收集能量。

由于它不需要必须充电或更换的电池，并且不需要特殊的布线，因此这种传感器可以嵌入难以触及的地方，例如船舶发动机的内部工作原理。在那里，它可以自动收集有关机器长时间功耗和运行的数据。

研究人员建造了一种温度传感装置，该装置可以从电线周围露天产生的磁场中收集能量。人们可以简单地将传感器夹在一根带电的电线上——也许是为电机供电的电线——它会自动收集和储存能量，用于监测电机的温度。

“这是环境功率——我不必进行特定的焊接连接即可获得的能量。这使得这个传感器非常容易安装，“Emanuel E. Landsman电气工程和计算机科学（EECS）教授、机械工程教授、电子研究实验室成员、能量收集传感器论文的资深作者Steve Leeb说。

这篇论文发表在 IEEE传感器杂志1月份的专题文章中，研究人员提供了能量收集传感器的设计指南，使工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。

该论文为设备的关键组件制定了路线图，这些组件可以在运行过程中持续感知和控制能量流。

多功能设计框架不仅限于收集磁场能量的传感器，还可以应用于使用其他电源（如振动或阳光）的传感器。它可用于为工厂、仓库和商业空间构建传感器网络，这些传感器的安装和维护成本较低。

“我们提供了一个无电池传感器的例子，它可以做一些有用的事情，并表明这是一个实际可实现的解决方案。现在，其他人将有望使用我们的框架来设计自己的传感器，“主要作者、EECS研究生Daniel Monagle说。

Monagle和Leeb与EECS研究生Eric Ponce一起发表了这篇论文。

美国海军学院（U.S. Naval Academy）武器与控制工程副教授约翰·唐纳尔（John Donnal）没有参与这项工作，他研究的是监控舰船系统的技术。他说，在船上获得电力可能很困难，因为插座很少，而且对可以插入的设备有严格的限制。

“例如，持续测量泵的振动可以为机组人员提供有关轴承和支架健康状况的实时信息，但为改装传感器供电通常需要大量额外的基础设施，因此投资不值得，”Donnal 补充道。“像这样的能量收集系统可以在船上改装各种诊断传感器，并显着降低总体维护成本。

操作指南

研究人员必须应对三个关键挑战，以开发一种有效的、无电池的能量收集传感器。

首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动其电子设备。他们通过集成电路和晶体管网络实现了这一点，这些网络允许系统存储能量，直到达到某个阈值。系统只有在存储了足够的电量以完全运行后才会打开。

其次，系统必须在没有电池的情况下有效地存储和转换其收集的能量。虽然研究人员本可以包括一个电池，但这会增加系统的额外复杂性，并可能造成火灾风险。

“你甚至可能没有奢侈地派技术人员去更换电池。相反，我们的系统是免维护的。它收集能量并自行运行，“Monagle 补充道。

为了避免使用电池，它们集成了内部储能装置，可以包括一系列电容器。电容器比电池更简单，将能量存储在导电板之间的电场中。电容器可以由多种材料制成，其功能可以根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。

该团队精心设计了电容器，使它们足够大，可以存储设备打开并开始收集电力所需的能量，但又足够小，充电阶段不会花费太长时间。

此外，由于传感器可能会在打开之前数周甚至数月进行测量，因此它们确保电容器能够保持足够的能量，即使某些电容器会随着时间的推移而泄漏。

最后，他们开发了一系列控制算法，可以动态测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器是能源管理接口的“大脑”，它不断检查存储了多少能量，并推断是打开还是关闭传感器、进行测量或将收割机踢到更高的档位，以便它可以收集更多能量以满足更复杂的传感需求。

“就像你在自行车上换档一样，能量管理界面会查看收割机的运行情况，本质上是看它是踩得太用力还是太软，然后它改变电子负载，这样它就可以最大限度地提高它正在收集的功率，并将收割与传感器的需求相匹配，“Monagle解释道。

自供电传感器

利用这个设计框架，他们为现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备收集磁场能量，并用它来连续采样温度数据，然后通过蓝牙将其发送到智能手机界面。

研究人员使用超低功耗电路来设计该器件，但很快发现这些电路在击穿之前可以承受的电压有严格的限制。收集过多的功率可能会导致设备爆炸。

为了避免这种情况，如果存储的能量过多，微控制器中的能量收集器操作系统会自动调整或减少收集。

他们还发现，通信 – 传输温度传感器收集的数据 – 是迄今为止最耗电的操作。

“确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项持续的挑战，需要精心设计，”Monagle说。

未来，研究人员计划探索能源密集度较低的数据传输方式，例如使用光学或声学。他们还希望更严格地建模和预测可能进入系统的能量，或者传感器可能需要多少能量来进行测量，以便设备可以有效地收集更多数据。

“如果你只做你认为你需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。有了更多信息，你也许能够了解一些你意想不到的关于设备操作的信息。我们的框架可以让你平衡这些考虑因素，“Leeb 说。

“这篇论文有据可查，说明一个实用的自供电传感器节点在现实场景中应该需要什么。整体设计指南，特别是关于冷启动问题的指南，非常有帮助，“佛罗里达州立大学工程学院电气和计算机工程助理教授Jinyeong Moon说，他没有参与这项工作。“计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中受益匪浅，轻松完成传统上繁琐的冷启动相关检查表。”

这项工作得到了海军研究办公室和格兰杰基金会的部分支持。