Датчик с бесконечной зарядкой на магнитной энергии из атмосферы

безбатарейный датчик с автономным питанием
Исследователи Массачусетского технологического института разработали безбатарейный датчик с автономным питанием, который может собирать энергию из окружающей среды. Фото: предоставлено исследователями, под редакцией MIT News

Поскольку для него не требуется батарея, которую необходимо перезаряжать или заменять, а также поскольку для него не требуется специальная проводка, такой датчик можно встроить в труднодоступное место, например, во внутреннюю часть корабельного двигателя. Там он может автоматически собирать данные о энергопотреблении и работе машины в течение длительных периодов времени.

Исследователи создали устройство, чувствительное к температуре, которое собирает энергию из магнитного поля, генерируемого на открытом воздухе вокруг провода. Можно просто закрепить датчик на проводе, по которому передается электричество (например, на проводе, питающем двигатель), и он будет автоматически собирать и хранить энергию, которую использует для контроля температуры двигателя.

«Это энергия окружающей среды — энергия, для получения которой мне не нужно делать специальное паяное соединение. И это делает этот датчик очень простым в установке», — говорит Стив Либ, профессор электротехники и информатики Эмануэля Э. Ландсмана (EECS) и профессор машиностроения, член Исследовательской лаборатории электроники и старший автор бумага о датчике сбора энергии.

В статье , которая появилась в качестве тематической статьи в январском выпуске журнала IEEE Sensors Journal , исследователи предлагают руководство по проектированию датчика сбора энергии, который позволяет инженеру сбалансировать доступную энергию в окружающей среде со своими сенсорными потребностями.

В документе изложена дорожная карта ключевых компонентов устройства, которое может постоянно воспринимать и контролировать поток энергии во время работы.

Универсальная конструкция не ограничивается датчиками, собирающими энергию магнитного поля, и может применяться к датчикам, использующим другие источники энергии, такие как вибрации или солнечный свет. Его можно использовать для создания сетей датчиков для заводов, складов и коммерческих помещений, установка и обслуживание которых обходятся дешевле.

безбатарейный датчик с автономным питанием
Этот интерфейс управления энергопотреблением является «мозгом» датчика с автономным питанием и без батареек, который может собирать необходимую для работы энергию из магнитного поля, генерируемого на открытом воздухе вокруг провода. Фото: Кристин Данилофф, Массачусетский технологический институт
«Мы предоставили пример датчика без батареи, который делает что-то полезное, и показали, что это практически реализуемое решение. Теперь мы надеемся, что другие будут использовать нашу структуру, чтобы начать разработку своих собственных датчиков», — говорит ведущий автор Дэниел Монагл, аспирант EECS.

Джон Доннал, доцент кафедры вооружения и средств управления Военно-морской академии США, не принимавший участия в этой работе, изучает методы мониторинга корабельных систем. По его словам, получить доступ к электропитанию на корабле может быть сложно, поскольку здесь очень мало розеток и есть строгие ограничения на то, какое оборудование можно подключить.

«Например, постоянное измерение вибрации насоса может дать обслуживающему персоналу информацию в режиме реального времени о состоянии подшипников и опор, но для питания модернизированного датчика часто требуется так много дополнительной инфраструктуры, что инвестиции не окупаются», — добавляет Доннал. . «Подобные системы сбора энергии могут позволить модернизировать широкий спектр диагностических датчиков на кораблях и значительно снизить общую стоимость обслуживания».

Практическое руководство

Исследователям пришлось решить три ключевые задачи, чтобы разработать эффективный, безбатарейный датчик, собирающий энергию.

Во-первых, система должна иметь возможность холодного запуска, то есть она может запускать свою электронику без начального напряжения. Они достигли этого с помощью сети интегральных схем и транзисторов, которые позволяют системе сохранять энергию до тех пор, пока она не достигнет определенного порога. Система включится только после того, как накопит достаточно энергии для полноценной работы.

Во-вторых, система должна эффективно хранить и преобразовывать энергию, которую она собирает, и без использования батареи. Хотя исследователи могли бы включить батарею, это усложнило бы систему и могло бы создать риск возгорания.

«Возможно, вы даже не сможете позволить себе роскошь послать техника для замены батареи. Вместо этого наша система не требует обслуживания. Он собирает энергию и работает сам», — добавляет Монагл.

Чтобы избежать использования батареи, они включают в себя внутренний накопитель энергии, который может включать в себя ряд конденсаторов. Конденсатор проще батареи: он хранит энергию в электрическом поле между проводящими пластинами. Конденсаторы могут быть изготовлены из различных материалов, а их возможности можно настроить в соответствии с различными условиями эксплуатации, требованиями безопасности и доступным пространством.

Команда тщательно спроектировала конденсаторы, чтобы они были достаточно большими, чтобы хранить энергию, необходимую устройству для включения и начала сбора энергии, но при этом достаточно маленькими, чтобы фаза зарядки не занимала слишком много времени.

Кроме того, поскольку датчику могут потребоваться недели или даже месяцы, прежде чем он включится для проведения измерений, они позаботились о том, чтобы конденсаторы могли удерживать достаточно энергии, даже если со временем часть из них выйдет из строя.

Наконец, они разработали серию алгоритмов управления, которые динамически измеряют и учитывают энергию, собираемую, хранимую и используемую устройством. Микроконтроллер, «мозг» интерфейса управления энергопотреблением, постоянно проверяет, сколько энергии хранится, и принимает решение, включать или выключать датчик, проводить измерения или переключать комбайн на более высокую передачу, чтобы он мог собрать больше энергии для нужд. более сложные сенсорные потребности.

«Точно так же, как когда вы переключаете передачи на велосипеде, интерфейс управления энергопотреблением смотрит на то, как работает комбайн, по сути, определяя, крутит ли он педали слишком сильно или слишком мягко, а затем изменяет электронную нагрузку, чтобы максимизировать мощность. это сбор урожая и согласование урожая с потребностями датчика», — объясняет Монагл.

Датчик с автономным питанием

Используя эту схему проектирования, они построили схему управления энергопотреблением для стандартного датчика температуры. Устройство собирает энергию магнитного поля и использует ее для непрерывного сбора данных о температуре, которые отправляет на интерфейс смартфона через Bluetooth.

Для разработки устройства исследователи использовали схемы со сверхмалым энергопотреблением, но быстро обнаружили, что эти схемы имеют жесткие ограничения на то, какое напряжение они могут выдержать, прежде чем выйти из строя. Сбор слишком большого количества энергии может привести к взрыву устройства.

Чтобы избежать этого, их операционная система сбора энергии в микроконтроллере автоматически корректирует или уменьшает сбор энергии, если количество накопленной энергии становится чрезмерным.

Они также обнаружили, что связь — передача данных, собранных датчиком температуры, — безусловно, самая энергоемкая операция.

«Обеспечение того, чтобы датчик имел достаточно запасенной энергии для передачи данных, является постоянной задачей, требующей тщательного проектирования», — говорит Монагл.

В будущем исследователи планируют изучить менее энергоемкие способы передачи данных, например, использование оптики или акустики. Они также хотят более точно моделировать и прогнозировать, сколько энергии может поступать в систему или сколько энергии может потребоваться датчику для проведения измерений, чтобы устройство могло эффективно собирать еще больше данных.

«Если вы проводите только те измерения, которые, по вашему мнению, вам нужны, вы можете упустить что-то действительно ценное. Имея дополнительную информацию, вы, возможно, сможете узнать о работе устройства то, чего даже не ожидали. Наша структура позволяет вам сбалансировать эти соображения», — говорит Либ.

«В этой статье хорошо документировано, что должен включать в себя практический сенсорный узел с автономным питанием для реалистичных сценариев. Общие рекомендации по проектированию, особенно по вопросу холодного запуска, очень полезны», — говорит Джинён Мун, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете A&M и Инженерном колледже Университета штата Флорида, который не участвовал в этой работе. «Инженеры, планирующие разработать модуль с автономным питанием для беспроводного сенсорного узла, получат большую пользу от этих рекомендаций, поскольку они смогут легко выполнить традиционно громоздкие контрольные списки, связанные с холодным запуском».