自供电传感器自动收集磁能

诸平

Fig. 1 MIT researchers have developed a battery-free, self-powered sensor that can harvest energy from its environment. Credits : Credit: Christine Daniloff, MIT

Fig. 2 This energy management interface is the ’brain’ of a self-powered, battery-free sensor that can harvest the energy it needs to operate from the magnetic field generated in the open air around a wire. Credits : Credit: Courtesy of the researchers, edited by MIT News

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, MA, USA）2024年1月18日提供的消息，自供电传感器自动收集磁能（Self-powered sensor automatically harvests magnetic energy）。

麻省理工学院设计的一个系统可以让传感器在没有电池的情况下远程工作。麻省理工学院的研究人员开发了一种无电池、自供电的传感器，可以从周围环境中收集能量。因为它不需要充电或更换电池，也不需要特殊的电线，所以这种传感器可以嵌入到难以触及的地方，比如船舶发动机的内部工作装置。在那里，它可以自动收集机器的功耗和长时间运行数据。

研究人员制造了一种温度感应装置，可以从电线周围的露天磁场中收集能量。人们可以简单地将传感器夹在一根导电导线上——也许是为电机供电的导线——它就会自动收集和储存能量，用来监测电机的温度。

“这是一种环境能量，我不需要通过特定的焊接连接就能获得，” 史蒂文·利布（Steven Leeb）说。他是MIT电子工程和计算机科学(Electrical Engineering and Computer Science简称EECS)的Emanuel E. Landsman教授和机械工程教授，电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）的成员，也是一篇关于能量收集传感器的论文(paper)的资深作者。在这篇论文中，研究人员提供了一种能量收集传感器的设计指南，这种传感器可以让工程师平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。相关论文2023年12月4日已经在《IEEE传感器杂志》（IEEE Sensors Journal）网站发表，印刷版在该刊2024年1月份出版的第一期杂志中刊登。原文详见：Daniel Monagle, Eric A. Ponce,Steven B. Leeb. Rule the Joule: An Energy Management Design Guide for Self-Powered Sensors. IEEE Sensors Journal, 2024, 24(1): 6-15. Jan.1, 2024, DOI: 10.1109/JSEN.2023.3336529. Date of Publication: 04 December 2023. https://ieeexplore.ieee.org/document/10341273

本文提出了一种能够在运行过程中连续感知和控制能量流的装置的关键部件的路线图。这种多用途的设计框架不仅限于收集磁场能量的传感器，还可以应用于使用其他能源的传感器，如振动或阳光。它可以用于为工厂、仓库和商业场所建立传感器网络，从而降低安装和维护成本。

上述论文的首席作者丹尼尔·莫纳格尔（Daniel Monagle）说：“我们已经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，并表明这是一个实际可行的解决方案。现在，其他人有望使用我们的框架来设计他们自己的传感器。”丹尼尔·莫纳格尔是EECS的一名研究生。与丹尼尔·莫纳格尔和史蒂文·利布一起撰写论文的还有EECS研究生埃里克·庞塞（Eric Ponce）。

美国海军学院（U.S. Naval Academy）武器与控制工程副教授约翰·唐纳(John Donnal)研究舰船监控系统（monitor ship systems）的技术，他没有参与这项工作。他说，在船上获得电力可能很困难，因为电源插座很少，而且对可以插入的设备也有严格的限制。

约翰·唐纳补充说:“例如，持续测量泵的振动可以为工作人员提供有关轴承和支架健康状况的实时信息，但为改装传感器供电通常需要额外的基础设施，因此投资不值得。像这样的能量收集系统可以改造船上的各种诊断传感器，并显著降低维护的总体成本。”

操作指南（A how-to guide）

为了开发一种有效的、无电池的、能量收集的传感器，研究人员必须面对三个关键挑战。

首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们通过集成电路和晶体管组成的网络来实现这一目标，使系统能够储存能量，直到能量达到一定的阈值。这个系统只有在储存了足够的能量才能完全运行时才会启动。

其次，该系统必须在没有电池的情况下，有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能造成火灾风险。

丹尼尔·莫纳格尔补充说：“你可能连派技术人员去更换电池的奢侈都没有。相反，我们的系统无需维护。它能收集能量并自行运转。”

为了避免使用电池，它们内置了包括一系列电容器的内部能量存储。电容器比电池简单，它在导电板之间的电场中储存能量。电容器可以由多种材料制成，其性能可以根据各种操作条件、安全要求和可用空间进行调整。

该团队精心设计了电容器，使其足够大，可以存储设备启动并开始收集电力所需的能量，但又足够小，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的时间才能开启进行测量，因此他们确保即使随着时间的推移有些泄漏，电容器也能容纳足够的能量。

最后，他们开发了一系列控制算法，可以动态测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器是能量管理界面的“大脑”，它不断检查存储了多少能量，并推断是打开还是关闭传感器，进行测量，还是将收集器调到更高的档位，以便收集更多的能量以满足更复杂的传感需求。

丹尼尔·莫纳格尔解释说:“就像你在自行车上换档一样，能量管理界面会查看收集器的工作情况，主要是看它的踏板是否太硬或太软，然后它会改变电子负载，这样它就能最大限度地获得能量，并将收获的能量与传感器的需求相匹配。”

自供电的传感器（Self-powered sensor）

利用这种设计框架，他们为现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备收集磁场能量，并利用磁场能量不断采集温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机界面。

研究人员使用超低功耗电路来设计该设备，但很快发现这些电路在崩溃前能够承受的电压有严格的限制。收集太多的能量可能会导致设备爆炸。为了避免这种情况，如果储存的能量过多，微控制器中的能量收集器操作系统会自动调整或减少收获。

他们还发现，通信——传输由温度传感器收集的数据——是迄今为止最耗电的操作。

“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，需要仔细设计，”丹尼尔·莫纳格尔说。

未来，研究人员计划探索能源消耗更少的数据传输方式，比如使用光学或声学。他们还希望更严格地建模和预测有多少能量可能进入系统，或者传感器可能需要多少能量进行测量，这样设备就可以有效地收集更多的数据。

 “如果你只做你认为你需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。有了更多的信息，你可能会学到一些你没有预料到的关于设备操作的东西。我们的框架让你平衡这些考虑，”史蒂文·利布说。

“这篇论文很好地记录了一个实用的自供电传感器节点在现实场景中应该包含什么。总体设计指南，特别是冷启动问题，非常有帮助。计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师，将从这些指导原则中受益匪浅，可以轻松完成传统上繁琐的冷启动相关检查清单。”未参与上述研究工作的美国佛罗里达州立大学工程学院（Florida State University College of Engineering）电子和计算机工程助理教授进永·穆恩（Jinyeong Moon）说。

这项工作得到了美国海军研究办公室（Office of Naval Research）和格兰杰基金会（The Grainger Foundation）的部分支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract:

Energy harvesters present the exciting opportunity to create sensor nodes that can power or recharge themselves. Given the intermittent nature of available ambient energy for these harvesters and the common discrepancy between the harvested power and average power required to operate a sensor load, electronic energy management interfaces between the harvester source and a sensor load are often necessary. This article presents a design methodology for energy management interfaces between energy harvester sources and sensor loads. The design guide is practically demonstrated through the prototyping of a low-power energy management module that interfaces a clampable, split-core current transformer (CT) magnetic energy harvester (MEH) to an off-the-shelf bluetooth low energy (BLE) embedded hardware sensor kit. This article documents the design and experimental performance of the cold-start, energy harvest enhancement, overvoltage protection, and energy distribution control capabilities of this energy management interface. The experimental results demonstrate successful cold-start using discrete logic, average power harvest enhancements up to nearly 400% under certain harvester voltage load conditions, and a hysteretic control method for servicing an approximately 50 mW sensor load.