麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種無需電池的自供電傳感器，可以從環(huán)境中收集能量。

因為它不需要充電或更換的電池，也不需要特殊的布線，所以這種傳感器可以嵌入到難以觸及的地方，比如船舶發(fā)動機的內(nèi)部工作。在那里，它可以長時間自動收集有關機器功耗和操作的數(shù)據(jù)。

研究人員建造了一種溫度傳感裝置，可以從電線周圍露天產(chǎn)生的磁場中收集能量。人們可以簡單地將傳感器夾在一根帶電的電線上——也許是為電機供電的電線——它會自動收集和儲存能量，用于監(jiān)測電機的溫度。

“這是環(huán)境功率——我不必進行特定的焊接連接即可獲得的能量。這使得這個傳感器非常容易安裝，“Emanuel E. Landsman電氣工程和計算機科學（EECS）教授、機械工程教授、電子研究實驗室成員、能量收集傳感器論文的作者Steve Leeb說。

在這篇論文中，研究人員提供了能量收集傳感器的設計指南，該指南使工程師能夠平衡環(huán)境中的可用能量與傳感需求。

本文為設備的關鍵組件制定了路線圖，這些組件可以在運行過程中持續(xù)感知和控制能量流。

多功能設計框架不限于收集磁場能量的傳感器，還可以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(yè)空間構建傳感器網(wǎng)絡，安裝和維護成本更低。

“我們提供了一個無電池傳感器的例子，它可以做一些有用的事情，并表明這是一個實際可行的解決方案�，F(xiàn)在，其他人將有望使用我們的框架來設計自己的傳感器，“主要作者，EECS研究生Daniel Monagle說。

Monagle和Leeb由EECS研究生Eric Ponce加入論文。

美國海軍學院武器與控制工程副教授約翰·唐納爾（John Donnal）沒有參與這項工作，他研究的是監(jiān)控船舶系統(tǒng)的技術。他說，在船上獲得電力可能很困難，因為插座很少，而且對可以插入哪些設備有嚴格的限制。

“例如，持續(xù)測量泵的振動可以為機組人員提供有關軸承和支架健康狀況的實時信息，但為改裝傳感器供電通常需要大量額外的基礎設施，因此投資不值得，”Donnal 補充道�！跋襁@樣的能量收集系統(tǒng)可以改造船上的各種診斷傳感器，并顯著降低總體維護成本。

操作指南

研究人員應對三個關鍵挑戰(zhàn)，才能開發(fā)出一種有效的、無電池的能量收集傳感器。

首先，系統(tǒng)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其電子設備。他們通過集成電路和晶體管網(wǎng)絡實現(xiàn)了這一點，該網(wǎng)絡允許系統(tǒng)存儲能量，直到達到一定閾值。系統(tǒng)只有在存儲了足夠的電量以完全運行后才會打開。

其次，系統(tǒng)須在沒有電池的情況下有效地存儲和轉換它收集的能量。雖然研究人員可能包括一個電池，但這會增加系統(tǒng)的復雜性，并可能造成火災風險。

“你甚至可能沒有派出技術人員來更換電池。相反，我們的系統(tǒng)是免維護的。它收集能量并自行運行，“Monagle 補充道。

為了避免使用電池，它們集成了內(nèi)部儲能，可以包括一系列電容器。電容器比電池更簡單，將能量存儲在導電板之間的電場中。電容器可以由多種材料制成，其功能可以根據(jù)各種工作條件、安全要求和可用空間進行調(diào)整。

該團隊精心設計了電容器，使它們足夠大，可以存儲設備打開并開始收集電力所需的能量，但又足夠小，充電階段不會花費太長時間。

此外，由于傳感器可能需要數(shù)周甚至數(shù)月才能打開進行測量，因此他們確保電容器能夠保持足夠的能量，即使隨著時間的推移會泄漏一些電容器。

他們開發(fā)了一系列控制算法，可以動態(tài)測量和預算設備收集、存儲和使用的能量。微控制器是能量管理接口的“大腦”，它不斷檢查存儲了多少能量，并推斷是打開還是關閉傳感器、進行測量或將收割機踢到更高的檔位，以便它可以收集更多能量來滿足更復雜的傳感需求。

“就像你在自行車上換檔一樣，能量管理界面會查看收割機的運行情況，本質(zhì)上是看它是踩得太硬還是太軟，然后它會改變電子負載，這樣它就可以大限度地提高它正在收割的功率，并將收割與傳感器的需求相匹配，“Monagle解釋道。

自供電傳感器

利用這個設計框架，他們?yōu)楝F(xiàn)成的溫度傳感器構建了一個能量管理電路。該設備收集磁場能量，并利用它連續(xù)采樣溫度數(shù)據(jù)，并使用藍牙將其發(fā)送到智能手機界面。

研究人員使用超低功耗電路來設計該設備，但很快發(fā)現(xiàn)這些電路在擊穿前對它們可以承受多少電壓有嚴格的限制。收集過多的功率可能會導致設備爆炸。

為了避免這種情況，如果存儲的能量變得過多，微控制器中的能量收集器操作系統(tǒng)會自動調(diào)整或減少收集。

他們還發(fā)現(xiàn)，通信（傳輸溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)）是迄今為止耗電的操作。

“確保傳感器有足夠的存儲能量來傳輸數(shù)據(jù)是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)，需要精心設計，”Monagle 說。

未來，研究人員計劃探索能源密集度較低的數(shù)據(jù)傳輸方式，例如使用光學或聲學。他們還希望更嚴格地建模和預測可能進入系統(tǒng)的能量，或者傳感器可能需要多少能量進行測量，以便設備可以有效地收集更多數(shù)據(jù)。

“如果你只做你認為你需要的測量，你可能會錯過一些有價值的東西。有了更多信息，你也許能夠了解一些你意想不到的關于設備操作的知識。我們的框架可以讓您平衡這些考慮因素，“Leeb 說。

“這篇論文有充分的文檔說明，對于現(xiàn)實場景，實用的自供電傳感器節(jié)點在內(nèi)部應該需要什么�？傮w設計指南，特別是關于冷啟動問題的指南，非常有幫助，“佛羅里達農(nóng)工大學-佛羅里達州立大學工程學院電氣和計算機工程助理教授Jinyeong Moon說，他沒有參與這項工作�！坝媱潪闊o線傳感器節(jié)點設計自供電模塊的工程師將從這些指南中受益匪淺，輕松勾選傳統(tǒng)上繁瑣的冷啟動相關清單�！�

這項工作得到了海軍研究辦公室和格蘭杰基金會的部分支持。