麻省理工学院的研究人员开发了一种无电池的自供电传感器，可以从环境中收集能量。由于它不需要充电或更换电池，也不需要特殊的布线，因此该传感器可以嵌入难以触及的地方，如船舶发动机的内部工作。在那里，它可以长时间自动收集机器功耗和操作数据。在电线周围露天产生的磁场中，研究人员建造了一种温度传感装置来收集能量。人们可以简单地将传感器夹在带电的电线上——也许是给电机供电的电线——它会自动收集和储存能量来监测电机的温度。"这就是环境功率-我不需要进行特定的焊接连接就能获得的能量。这使得传感器很容易安装，“Emanuel E. Landsman电气工程和计算机科学（EECS）Steve教授、机械工程教授、电子研究实验室成员、能量收集传感器论文的作者 Leeb说。在本文中，研究人员提供了能量收集传感器的设计指南，使工程师能够平衡环境中的可用能量和传感需求。本文为设备的关键组件制定了路线图，可以在运行过程中不断感知和控制能量流。多功能设计框架不限于收集磁场能量的传感器，也可用于使用其他电源(如振动或阳光)的传感器。可用于为工厂、仓库和商业空间建立传感器网络，安装和维护成本较低。“我们提供了一个无电池传感器的例子，它可以做一些有用的事情，并表明这是一个实用的解决方案。现在，其他人有望用我们的框架来设计自己的传感器，“主要作者，EECS研究生Daniel Monagle说。EEECS研究生Erice是Monagle和Leeb 在论文中加入Ponce。约翰·唐纳尔，美国海军学院武器与控制工程副教授（John Donnal）他研究的是监控船舶系统的技术，没有参与这项工作。他说，在船上获得电力可能很困难，因为插座很少，而且对可以插入的设备有严格的限制。“例如，连续测量泵的振动可以为机组人员提供关于轴承和支架健康状况的实时信息，但通常需要大量额外的基础设施来改装传感器，因此投资不值得，”Donnal 补充道。“这样的能量收集系统可以改造船上的各种诊断传感器，显著降低整体维护成本。为了开发一种有效的、无电池的能量收集传感器，操作指南研究人员应对三个关键挑战。首先，系统可以冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动其电子设备。它们通过集成电路和晶体管网实现了这一点，允许系统存储能量，直到达到一定的阈值。只有在储存足够的电量并完全运行后，系统才能打开。其次，系统必须在没有电池的情况下有效地储存和转换其收集的能量。虽然研究人员可能包括一个电池，但它会增加系统的复杂性，并可能造成火灾风险。“你甚至可能没有派技术人员来更换电池。相反，我们的系统是免维护的。它收集能量并自行运行，“Monagle 补充道。它们集成了内部储能，可以包括一系列电容器，以避免使用电池。电容器比电池简单，能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由多种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。该团队精心设计了足够大的电容器，可以存储设备打开并开始收集电力所需的能量，但足够小，充电阶段不会花费太长时间。此外，由于传感器可能需要几周甚至几个月才能打开测量，他们确保电容器能够保持足够的能量，即使随着时间的推移，一些电容器也会泄漏。它们开发了一系列能够动态测量和预算设备收集、存储和使用的控制算法。微控制器是能量管理界面的“大脑”。它不断检查储存了多少能量，并推断是打开或关闭传感器，测量或将收割机踢到更高的档位，以便收集更多的能量来满足更复杂的传感需求。“就像你在自行车上换档一样，能量管理界面会检查收割机的运行情况。本质上，这取决于它是踩得太硬还是太软，然后它会改变电子负载，从而大大提高其正在收获的功率，并将收获与传感器的需求相匹配。”马克解释说。利用这一设计框架，自供电传感器为现成的温度传感器构建了能量管理电路。该设备收集磁场能量，连续采样温度数据，并用蓝牙将其发送到智能手机界面。研究人员使用超低功耗电路来设计设备，但很快就发现这些电路严格限制了它们在击穿前能承受多少电压。收集过多的功率可能会导致设备爆炸。微控制器中的能量收集器操作系统会自动调整或减少收集，以避免这种情况。到目前为止，他们还发现通信(传输温度传感器收集的数据)耗电。“确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一个持续的挑战，需要精心设计，”Monagle 说。在未来，研究人员计划探索使用光学或声学等能源密度较低的数据传输方法。他们还希望更严格地建模和预测可能进入系统的能量，或者测量传感器可能需要多少能量，以便设备能够有效地收集更多的数据。“假如你只做你认为你需要的测量，你可能会错过一些有价值的东西。有了更多的信息，你可能会知道一些关于设备操作的意想不到的知识。我们的框架可以让你平衡这些考虑因素，“Leeb 说。“本文有充分的文档说明，实用的自供电传感器节点在现实场景中应该需要什么。总体设计指南，尤其是关于冷启动的指南，非常有帮助。“Jinyeong，佛罗里达农业工程大学-佛罗里达州立大学工程学院电气和计算机工程助理教授 Moon说，他没有参加这项工作。“计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中受益匪浅，轻松检查传统繁琐的冷启动清单。这项工作得到了海军研究办公室和格兰杰基金会的部分支持。