麻省理工學(xué)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?yàn)樗�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(dòng)機(jī)的內(nèi)部工作。在那里，它可以長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)收集有關(guān)機(jī)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(chǎng)中收集能量。人們可以簡(jiǎn)單地將傳感器夾在一根帶電的電線上——也許是為電機(jī)供電的電線——它會(huì)自動(dòng)收集和儲(chǔ)存能量，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)的溫度。

“這是環(huán)境功率——我不必進(jìn)行特定的焊接連接即可獲得的能量。這使得這個(gè)傳感器非常容易安裝，“Emanuel E. Landsman電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）教授、機(jī)械工程教授、電子研究實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(shè)備的關(guān)鍵組件制定了路線圖，這些組件可以在運(yùn)行過程中持續(xù)感知和控制能量流。

多功能設(shè)計(jì)框架不限于收集磁場(chǎng)能量的傳感器，還可以應(yīng)用于使用其他電源（如振動(dòng)或陽光）的傳感器。它可用于為工廠、倉庫和商業(yè)空間構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，安裝和維護(hù)成本更低。

“我們提供了一個(gè)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(gè)實(shí)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(shè)計(jì)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(guó)海軍學(xué)院武器與控制工程副教授約翰·唐納爾（John Donnal）沒有參與這項(xiàng)工作，他研究的是監(jiān)控船舶系統(tǒng)的技術(shù)。他說，在船上獲得電力可能很困難，因?yàn)椴遄�很少，而且�?duì)可以插入哪些設(shè)備有嚴(yán)格的限制。

“例如，持續(xù)測(cè)量泵的振動(dòng)可以為機(jī)組人員提供有關(guān)軸承和支架健康狀況的實(shí)時(shí)信息，但為改裝傳感器供電通常需要大量額外的基礎(chǔ)設(shè)施，因此投資不值得，”Donnal 補(bǔ)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(hù)成本。

操作指南

研究人員應(yīng)對(duì)三個(gè)關(guān)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(dòng)，這意味著它可以在沒有初始電壓的情況下啟動(dòng)其電子設(shè)備。他們通過集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)允許系統(tǒng)存儲(chǔ)能量，直到達(dá)到一定閾值。系統(tǒng)只有在存儲(chǔ)了足夠的電量以完全運(yùn)行后才會(huì)打開。

其次，系統(tǒng)須在沒有電池的情況下有效地存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換它收集的能量。雖然研究人員可能包括一個(gè)電池，但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并可能造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

“你甚至可能沒有派出技術(shù)人員來更換電池。相反，我們的系統(tǒng)是免維護(hù)的。它收集能量并自行運(yùn)行，“Monagle 補(bǔ)充道。

為了避免使用電池，它們集成了內(nèi)部?jī)?chǔ)能，可以包括一系列電容器。電容器比電池更簡(jiǎn)單，將能量存儲(chǔ)在導(dǎo)電板之間的電場(chǎng)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(jìn)行調(diào)整。

該團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了電容器，使它們足夠大，可以存儲(chǔ)設(shè)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(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行測(cè)量，因此他們確保電容器能夠保持足夠的能量，即使隨著時(shí)間的推移會(huì)泄漏一些電容器。

他們開發(fā)了一系列控制算法，可以動(dòng)態(tài)測(cè)量和預(yù)算設(shè)備收集、存儲(chǔ)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(chǔ)了多少能量，并推斷是打開還是關(guān)閉傳感器、進(jìn)行測(cè)量或?qū)⑹崭顧C(jī)踢到更高的檔位，以便它可以收集更多能量來滿足更復(fù)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(huì)查看收割機(jī)的運(yùn)行情況，本質(zhì)上是看它是踩得太硬還是太軟，然后它會(huì)改變電子負(fù)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(gè)設(shè)計(jì)框架，他們?yōu)楝F(xiàn)成的溫度傳感器構(gòu)建了一個(gè)能量管理電路。該設(shè)備收集磁場(chǎng)能量，并利用它連續(xù)采樣溫度數(shù)據(jù)，并使用藍(lán)牙將其發(fā)送到智能手機(jī)界面。

研究人員使用超低功耗電路來設(shè)計(jì)該設(shè)備，但很快發(fā)現(xiàn)這些電路在擊穿前對(duì)它們可以承受多少電壓有嚴(yán)格的限制。收集過多的功率可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備爆炸。

為了避免這種情況，如果存儲(chǔ)的能量變得過多，微控制器中的能量收集器操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(chǔ)能量來傳輸數(shù)據(jù)是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)，需要精心設(shè)計(jì)，”Monagle 說。

未來，研究人員計(jì)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(xué)或聲學(xué)。他們還希望更嚴(yán)格地建模和預(yù)測(cè)可能進(jìn)入系統(tǒng)的能量，或者傳感器可能需要多少能量進(jìn)行測(cè)量，以便設(shè)備可以有效地收集更多數(shù)據(jù)。

“如果你只做你認(rèn)為你需要的測(cè)量，你可能會(huì)錯(cuò)過一些有價(jià)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(guān)于設(shè)備操作的知識(shí)。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(duì)于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，實(shí)用的自供電傳感器節(jié)點(diǎn)在內(nèi)部應(yīng)該需要什么�？傮w設(shè)計(jì)指南，特別是關(guān)于冷啟動(dòng)問題的指南，非常有幫助，“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)院電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授Jinyeong Moon說，他沒有參與這項(xiàng)工作�！坝�(jì)劃為無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自供電模塊的工程師將從這些指南中受益匪淺，輕松勾選傳統(tǒng)上繁瑣的冷啟動(dòng)相關(guān)清單�！�

這項(xiàng)工作得到了海軍研究辦公室和格蘭杰基金會(huì)的部分支持。