麻省理工学院的自供电传感器 能自动收集环境中的磁能

麻省理工学院的研究人员开发出了一种无需电池的自供电传感器，它可以从环境中获取能量。由于它不需要必须充电或更换的电池，也不需要特殊的布线，这种传感器可以被嵌入到难以触及的地方，比如船舶发动机的内部结构中。在那里，它可以长时间自动收集有关机器耗电量和运行情况的数据。

麻省理工学院的研究人员开发出一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。资料来源：麻省理工学院 Christine Daniloff

研究人员制造了一种温度感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量。人们只需将传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，用来监测电机的温度。

"这就是环境电能--我不必通过特定的焊接连接就能获得的能量。"电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）伊曼纽尔-兰兹曼（Emanuel E. Landsman）教授兼机械工程学教授 Steve Leeb 说："这使得这种传感器非常容易安装。"

这个能量管理接口是一个自供电、无需电池的传感器的"大脑"，它可以从电线周围露天产生的磁场中获取工作所需的能量。图片来源：研究人员提供，经《麻省理工新闻》编辑

在这篇刊登在《电气和电子工程师学会传感器杂志》1 月刊上的特写文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，让工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。论文为能够在运行过程中持续感知和控制能量流的设备的关键组件绘制了路线图。

这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可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安装和维护成本更低的传感器网络。

"我们提供了一个无电池传感器的例子，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。"

与 Monagle 和 Leeb 一起参与论文撰写的还有电子工程与科学研究生 Eric Ponce。

美国海军学院武器与控制工程副教授约翰-多纳尔（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，要在舰艇上获得电源是很困难的，因为插座很少，而且对可以插入哪些设备有严格限制。多纳尔补充说："例如，持续测量泵的振动可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于不值得投资。像这样的能量收集系统可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。"

研究人员必须应对三大挑战，才能开发出一种有效、无需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电子设备。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时，它才会开启。

其次，该系统必须在不使用电池的情况下有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能带来火灾风险。

"您甚至可能连派出技术人员更换电池的奢望都没有。相反，我们的系统是免维护的。它可以自行采集能量并运行，"Monagle 补充道。

为了避免使用电池，它们采用了内部储能技术，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。

研究小组精心设计了电容器，使其足够大，能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，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几周甚至几个月后才开启进行测量，因此他们要确保电容器能够保持足够的能量，即使有些能量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，动态测量和预算设备收集、储存和使用的能量。微控制器是能量管理界面的"大脑"，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量，或者将收割机调到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。

Monagle 解释说："就像你在自行车上换挡一样，能量管理界面会查看收割机的工作情况，主要是看它是踩得太用力还是太轻，然后它就会改变电子负载，从而最大限度地提高收割功率，并使收割功率与传感器的需求相匹配。"

利用这一设计框架，他们为一个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，并利用磁场能量持续采样温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。

研究人员使用超低功耗电路设计该装置，但很快发现，这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多的电能可能会导致设备爆炸。为了避免这种情况，他们在微控制器中的能量收集器操作系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。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。

Monagle 说："确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，需要精心设计。"

未来，研究人员计划探索能耗较低的数据传输手段，如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量，或传感器测量所需的能量，以便设备能有效地收集更多数据。

"如果你只进行你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。如果有更多的信息，你可能会了解到一些你意想不到的设备运行情况。我们的框架可以让您平衡这些考虑因素，"Leeb 说。

"这篇论文详细阐述了实用的自供电传感器节点在现实场景中的内部结构。"佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授 Jinyeong Moon 说："整体设计指南，尤其是冷启动问题，非常有帮助。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获益匪浅，轻松勾选传统上与冷启动相关的繁琐清单"。

编译自:ScitechDaily