麻省理工學院的研究人員開發了一種無需電池的自供電感測器，它可以從環境中獲取能量。由於它不需要必須充電或更換的電池，也不需要特殊的佈線，這種感測器可以嵌入到難以觸及的地方，例如船舶引擎的內部結構中。在那裡，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。

麻省理工學院的研究人員開發出一種無需電池、自供電的感測器，可以從環境中獲取能量。資料來源：麻省理工學院Christine Daniloff

研究人員製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。人們只需將感測器夾在有電導線（可能是為馬達供電的導線）周圍，它就會自動收集並儲存能量，用來監測馬達的溫度。

「這就是環境電能–我不必透過特定的焊接連接就能獲得的能量。」電子研究實驗室成員、電子工程與電腦科學（EECS）伊曼紐爾-蘭茲曼（Emanuel E. Landsman）教授兼機械工程學教授Steve Leeb 說：”這使得這種感測器非常容易安裝。”

這個能量管理介面是一個自供電、無需電池的感測器的”大腦”，它可以從電線周圍露天產生的磁場中獲取工作所需的能量。圖片來源：研究人員提供，經《麻省理工新聞》編輯

在這篇刊登在《電氣和電子工程師學會感測器雜誌》1 月刊上的特寫文章中，研究人員為能量收集感測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感測需求。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製了路線圖。

這種多用途設計框架並不局限於收集磁場能量的感測器，還可應用於使用其他電源（如振動或陽光）的感測器。它可用於為工廠、倉庫和商業空間建立安裝和維護成本更低的感測器網路。

“我們提供了一個無電池感測器的例子，它能做一些有用的事情，並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自己的感測器。”

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）並未參與這項工作，他研究的是監控船艦系統的技術。他說，要在艦艇上取得電源是很困難的，因為插座很少，而且對可以插入哪些設備有嚴格限制。多納爾補充說：”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，以至於不值得投資。像這樣的能量收集系統可以在船舶上加裝各種診斷感測器，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感測器。

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。他們利用積體電路和晶體管網路實現了這一點，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，可以完全運作時，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，但這會增加系統的複雜性，並可能帶來火災風險。

“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。它可以自行採集能量並運行，”Monagle 補充道。

為了避免使用電池，它們採用了內部儲能技術，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製成，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，由於感測器可能會在幾週甚至幾個月後開啟進行測量，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洩漏。

最後，他們開發了一系列控制演算法，動態測量和預算設備收集、儲存和使用的能量。微控制器是能量管理介面的”大腦”，它不斷檢查儲存了多少能量，並推斷是否要打開或關閉感測器、進行測量，或將收割機調到更高的檔位，以便收集更多能量，滿足更複雜的感測需求。

Monagle 解釋說：”就像你在自行車上換檔一樣，能量管理介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，然後它就會改變電子負載，從而最大限度地提高收割功率，並使收割功率與感測器的需求相匹配。”

利用這個設計框架，他們為一個現成的溫度感測器建構了一個能量管理電路。該設備收集磁場能量，並利用磁場能量持續採樣溫度數據，然後透過藍牙將數據發送到智慧型手機介面。

研究人員使用超低功耗電路設計裝置，但很快就發現，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作業系統會在儲存的能量過多時自動調整或減少收集量。他們還發現，通訊–傳輸溫度感測器收集的數據–是迄今為止最耗電的操作。

Monagle 說：”確保感測器有足夠的儲存能量來傳輸資料是一項長期的挑戰，需要精心設計。”

未來，研究人員計劃探索能耗較低的資料傳輸手段，如使用光學或聲學。他們也希望更嚴格地模擬和預測進入系統的能量，或感測器測量所需的能量，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感測器節點在現實場景中的內部結構。”佛羅裡達農工大學-佛羅裡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。計劃為無線感測器節點設計自供電模組的工程師將從這些指南中獲益匪淺，輕鬆勾選傳統上與冷啟動相關的繁瑣清單”。

編譯自: ScitechDaily