麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種無(wú)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(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。在那里，它可以長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)收集有關(guān)機(jī)器耗電量和運(yùn)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(chǎng)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(huì)自動(dòng)收集并儲(chǔ)存能量，用來監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)室成員、電子工程與計(jì)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(huì)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(gè)設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)框架并不局限于收集磁場(chǎng)能量的傳感器，還可應(yīng)用于使用其他電源（如振動(dòng)或陽(yáng)光）的傳感器。它可用于為工廠、倉(cāng)庫(kù)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(gè)無(wú)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(gè)切實(shí)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(jì)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(guó)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(xiàng)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?yàn)椴遄苌?，而且?duì)可以插入哪些設(shè)備有嚴(yán)格限制。
唐納爾補(bǔ)充說："例如，持續(xù)測(cè)量泵的振動(dòng)可以為船員提供軸承和支架健康狀況的實(shí)時(shí)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(duì)三大挑戰(zhàn)，才能開發(fā)出一種有效、無(wú)需電池的能量收集傳感器。
首先，系統(tǒng)必須能夠冷啟動(dòng)，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動(dòng)電子設(shè)備。他們利用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，使系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存能量，直到達(dá)到一定的閾值。只有當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)存了足夠的能量，可以完全運(yùn)行時(shí)，它才會(huì)開啟。
其次，該系統(tǒng)必須在不使用電池的情況下有效地儲(chǔ)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(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并可能帶來火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
"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(yùn)行，"Monagle 補(bǔ)充道。
為了避免使用電池，它們采用了內(nèi)部?jī)?chǔ)能技術(shù)，包括一系列電容器。電容器比電池更簡(jiǎn)單，它將能量?jī)?chǔ)存在導(dǎo)電板之間的電場(chǎng)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(jì)了電容器，使其足夠大，能夠儲(chǔ)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(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間。
此外，由于傳感器可能會(huì)在數(shù)周甚至數(shù)月后才開啟進(jìn)行測(cè)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(huì)隨著時(shí)間的推移而泄漏。
最后，他們開發(fā)了一系列控制算法，對(duì)設(shè)備收集、儲(chǔ)存和使用的能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)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(chǔ)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(cè)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(shí)換擋一樣，能量管理界面會(huì)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(huì)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(jì)框架，研究人員為一個(gè)現(xiàn)成的溫度傳感器構(gòu)建了一個(gè)能量管理電路。該設(shè)備采集磁場(chǎng)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(jì)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(huì)導(dǎo)致設(shè)備爆炸。
為了避免這種情況，他們?cè)谖⒖刂破髦械哪芰渴占鞑僮飨到y(tǒng)會(huì)在存儲(chǔ)的能量過多時(shí)自動(dòng)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(chǔ)能量來傳輸數(shù)據(jù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計(jì)。"
未來，研究人員計(jì)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(cè)進(jìn)入系統(tǒng)的能量，或傳感器測(cè)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(cè)量，你可能會(huì)錯(cuò)過一些真正有價(jià)值的東西。如果有更多的信息，你可能會(huì)了解到一些你意想不到的設(shè)備運(yùn)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(shí)用的自供電傳感器節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(jì)算機(jī)工程助理教授 Jinyeong Moon 說："整體設(shè)計(jì)指南，尤其是冷啟動(dòng)問題，非常有幫助。計(jì)劃為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(dòng)相關(guān)的繁瑣清單。"
這項(xiàng)工作得到了海軍研究辦公室和 Grainger 基金會(huì)的部分支持。
