Исследователи Массачусетского технологического института разработали безбатарейный датчик с автономным питанием, который собирает энергию из окружающей среды. Поскольку для него не требуются батареи, которые необходимо заряжать или заменять, а также не требуется специальная проводка, датчик можно встраивать в труднодоступные места, например, во внутренности судового двигателя. Там он автоматически собирает данные о энергопотреблении и работе машины с течением времени.
Исследователи создали устройство, чувствительное к температуре, которое собирает энергию магнитных полей, генерируемых на открытом воздухе вокруг линий электропередач. Достаточно просто прикрепить датчик к проводу под напряжением (возможно, проводу, питающему двигатель), и он автоматически собирает и сохраняет энергию для контроля температуры двигателя.
«Это окружающая электрическая энергия — энергия, для получения которой мне не нужно проходить через специальное паяное соединение», — сказал Стив Либ, профессор электротехники и информатики Эмануэля Э. Ландсмана (EECS) и профессор машиностроения, член Исследовательской лаборатории электроники. «Это делает установку датчика очень простой».
В этой тематической статье, опубликованной в январском выпуске журнала IEEE Sensors Magazine, исследователи предоставляют руководство по проектированию датчиков, собирающих энергию, которое позволяет инженерам сбалансировать энергию, доступную в окружающей среде, с их потребностями в измерениях.
В документе представлена схема ключевых компонентов устройства, способного непрерывно измерять и контролировать поток энергии во время работы.
Эта универсальная конструкция не ограничивается датчиками, собирающими энергию магнитного поля, но также может применяться к датчикам, использующим другие источники энергии, такие как вибрация или солнечный свет. Его можно использовать для создания сенсорных сетей для заводов, складов и коммерческих помещений, которые дешевле устанавливать и обслуживать.
«Мы приводим пример датчика без батареи, который делает что-то полезное, и доказываем, что это практическое решение. Надеемся, что другие также будут использовать нашу платформу для разработки своих собственных датчиков».
В написании статьи к Монаглу и Леебу присоединился аспирант по электротехнике и естественным наукам Эрик Понсе.
Джон Доннал, доцент кафедры вооружения и средств управления Военно-морской академии США, не принимавший участия в работе, изучает технологии мониторинга корабельных систем. Он сказал, что обеспечить электроэнергию на кораблях сложно, поскольку розеток мало, а подключаемые устройства строго ограничены.
Доннелл добавил: «Например, непрерывное измерение вибраций насосов может предоставить экипажу информацию в режиме реального времени о состоянии подшипников и опор, но для питания дополнительных датчиков часто требуется столько дополнительной инфраструктуры, что это не стоит вложений. Подобные системы сбора энергии могут добавить на корабль множество диагностических датчиков, что значительно снижает общие затраты на техническое обслуживание».
Исследователям пришлось решить три основные проблемы, чтобы разработать эффективный датчик, собирающий энергию без батарей.
Во-первых, система должна иметь возможность холодного запуска, то есть запускать электронику без начального напряжения. Они добились этого, используя сеть интегральных схем и транзисторов, позволяющую системе сохранять энергию до достижения определенного порога. Он включается только тогда, когда система накопила достаточно энергии для полной работоспособности.
Во-вторых, система должна эффективно хранить и преобразовывать собранную энергию без использования батарей. Хотя исследователи могли бы добавить в систему батареи, это увеличило бы сложность системы и потенциально создало бы риск пожара.
«Возможно, вы даже не сможете позволить себе роскошь послать технического специалиста для замены батареи. Вместо этого наша система не требует обслуживания. Она собирает энергию и работает сама по себе», — добавил Монагл.
Чтобы избежать использования батарей, они используют технологию внутреннего хранения энергии, включая серию конденсаторов. Конденсаторы проще батарей и хранят энергию в электрическом поле между проводящими пластинами. Конденсаторы могут быть изготовлены из различных материалов, а их функциональность может быть адаптирована к различным условиям эксплуатации, требованиям безопасности и доступному пространству.
Команда тщательно спроектировала конденсатор, чтобы он был достаточно большим, чтобы хранить энергию, необходимую устройству для включения и начала сбора электроэнергии, но при этом достаточно маленьким, чтобы фаза зарядки не занимала слишком много времени.
Кроме того, поскольку датчики могут не включаться в течение нескольких недель или даже месяцев для проведения измерений, они хотят убедиться, что конденсаторы могут удерживать достаточно энергии, даже если некоторая энергия со временем утечет.
Наконец, они разработали серию алгоритмов управления, которые динамически измеряют и учитывают энергию, собранную, хранимую и используемую устройством. Микроконтроллер — это «мозг» интерфейса управления энергопотреблением, который постоянно проверяет, сколько энергии хранится, и принимает решение о включении или выключении датчиков, проведении измерений или переключении комбайна на более высокую передачу, чтобы собрать больше энергии для более сложных задач измерения.
«Подобно переключению передач во время езды на велосипеде, интерфейс управления энергопотреблением смотрит на то, как работает комбайн, в основном, крутит ли он педали слишком сильно или слишком слабо», — объясняет Монагл, — «а затем меняет электронную нагрузку, чтобы максимизировать мощность уборки и привести мощность уборки в соответствие с запросами датчика».
датчик с автономным питанием
Используя эту схему проектирования, исследователи построили схему управления энергопотреблением для стандартного датчика температуры. Устройство собирает энергию магнитного поля и используется для непрерывного сбора данных о температуре, которые затем отправляются на интерфейс смартфона через Bluetooth.
Исследователи разработали устройство с использованием схем сверхмалого энергопотребления, но быстро обнаружили, что существуют строгие ограничения на напряжения, которые эти схемы могут выдержать перед разрушением. Сбор слишком большого количества электрической энергии может привести к взрыву устройства.
Чтобы избежать этого, их операционная система сбора энергии в микроконтроллере автоматически регулирует или уменьшает количество собираемой энергии, когда запасенной энергии слишком много. Они также обнаружили, что связь — передача данных, собранных датчиками температуры, — безусловно, самая энергоемкая операция. «Обеспечение того, чтобы датчики имели достаточно запасенной энергии для передачи данных, является долгосрочной задачей, требующей тщательного проектирования», — сказал Монагл.
В будущем исследователи планируют изучить менее энергоемкие способы передачи данных, например, использование оптики или акустики. Они также хотят более точно моделировать и прогнозировать количество энергии, поступающей в систему или необходимое для измерений датчиков, чтобы устройства могли эффективно собирать больше данных.
«Если вы проводите только те измерения, которые, по вашему мнению, вам нужны, вы можете упустить что-то действительно ценное. Имея больше информации, вы можете узнать о работе устройства то, чего не ожидали. Наша система позволяет вам сбалансировать эти соображения», — сказал Либ.
«В этой статье подробно описана внутренняя структура практического сенсорного узла с автономным питанием в реальном сценарии», — сказал Джинён Мун, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Инженерном колледже Университета A&M Флориды и Государственного университета Флориды. «Общие рекомендации по проектированию, особенно проблема холодного запуска, очень полезны. Инженеры, планирующие проектировать модули с автономным питанием для беспроводных сенсорных узлов, получат большую пользу от этих рекомендаций и смогут легко выполнить утомительный контрольный список, традиционно связанный с холодным запуском».
Эта работа частично поддерживалась Управлением военно-морских исследований и Фондом Грейнджера.