Naukowcy z MIT opracowali bezbateryjny, samozasilający się czujnik, który może pobierać energię z otoczenia.
Ponieważ nie wymaga ładowania lub wymiany akumulatora i nie wymaga specjalnego okablowania, czujnik taki można umieścić w trudno dostępnym miejscu, np. wewnątrz mechanizmu silnika statku. Tam może automatycznie gromadzić dane na temat zużycia energii i operacji maszyny przez długi czas.
Naukowcy zbudowali urządzenie wykrywające temperaturę, które pobiera energię z pola magnetycznego generowanego na otwartej przestrzeni wokół drutu. Można po prostu przypiąć czujnik do przewodu przewodzącego prąd – być może przewodu zasilającego silnik – a czujnik automatycznie pobierze i przechowa energię, którą wykorzysta do monitorowania temperatury silnika.
„To jest energia otoczenia — energia, do uzyskania której nie muszę wykonywać specjalnego lutowanego połączenia. Dzięki temu ten czujnik jest bardzo łatwy w instalacji” – mówi Steve Leeb, profesor elektrotechniki i informatyki im. Emanuela E. Landsmana Science (EECS) i profesor inżynierii mechanicznej, członek Laboratorium Badawczego Elektroniki i starszy autor artykułu na temat czujnika zbierającego energię.
W artykule, który ukazał się jako artykuł w styczniowym numerze magazynu IEEE Sensors Journal, badacze przedstawiają wytyczne projektowe dotyczące czujnika zbierającego energię, który pozwala inżynierowi zrównoważyć dostępną energię w środowisku z potrzebami wykrywania.
W artykule przedstawiono plan działania dotyczący kluczowych elementów urządzenia, które może wykrywać i kontrolować przepływ energii w sposób ciągły podczas pracy.
Wszechstronne ramy projektowe nie ograniczają się do czujników zbierających energię pola magnetycznego i można je zastosować do czujników wykorzystujących inne źródła zasilania, takie jak wibracje lub światło słoneczne. Można go wykorzystać do budowy sieci czujników dla fabryk, magazynów i przestrzeni handlowych, których instalacja i konserwacja są tańsze.
„Podaliśmy przykład czujnika bez baterii, który robi coś pożytecznego, i pokazaliśmy, że jest to rozwiązanie praktycznie wykonalne. Miejmy nadzieję, że teraz inni skorzystają z naszego frameworka, aby potoczyć się dalej i zaprojektować własne czujniki” – mówi główny autor Daniel Monagle, absolwentka EECS.
W artykule do Monagle i Leeba dołącza absolwent EECS Eric Ponce.
Poradnik jak to zrobić
Aby opracować skuteczny, niewymagający baterii czujnik pozyskujący energię, badacze musieli sprostać trzem kluczowym wyzwaniom.
Po pierwsze, system musi mieć możliwość zimnego rozruchu, co oznacza, że może uruchomić elektronikę bez napięcia początkowego. Osiągnęli to za pomocą sieci układów scalonych i tranzystorów, które umożliwiają systemowi magazynowanie energii do momentu osiągnięcia określonego progu. System włączy się dopiero wtedy, gdy zgromadzi wystarczającą ilość energii, aby w pełni działać.
Po drugie, system musi efektywnie przechowywać i przetwarzać zebraną energię, bez konieczności stosowania akumulatora. Chociaż badacze mogli włączyć baterię, spowodowałoby to dodatkową złożoność systemu i mogłoby stworzyć ryzyko pożaru.
„Być może nie będziesz miał nawet luksusu wysłania technika w celu wymiany baterii. Zamiast tego nasz system jest bezobsługowy. Zbiera energię i działa sam” – dodaje Monagle.
Aby uniknąć korzystania z baterii, zawierają one wewnętrzny magazyn energii, który może obejmować szereg kondensatorów. Prostszy niż bateria, kondensator magazynuje energię w polu elektrycznym pomiędzy płytkami przewodzącymi. Kondensatory mogą być wykonane z różnych materiałów, a ich możliwości można dostosować do różnych warunków pracy, wymagań bezpieczeństwa i dostępnej przestrzeni.
Zespół starannie zaprojektował kondensatory, tak aby były wystarczająco duże, aby przechowywać energię potrzebną do włączenia urządzenia i rozpoczęcia pobierania energii, ale jednocześnie na tyle małe, aby faza ładowania nie trwała zbyt długo.
Ponadto, ponieważ czujnik może minąć kilka tygodni lub nawet miesięcy, zanim włączy się w celu dokonania pomiaru, kondensatory będą w stanie utrzymać wystarczającą ilość energii, nawet jeśli z czasem nastąpi wyciek.
Na koniec opracowano szereg algorytmów sterujących, które dynamicznie mierzą i budżetują energię gromadzoną, magazynowaną i wykorzystywaną przez urządzenie. Mikrokontroler, „mózg” interfejsu zarządzania energią, stale sprawdza, ile energii jest zmagazynowanej i podejmuje decyzję, czy włączyć, czy wyłączyć czujnik, dokonać pomiaru, czy też wrzucić kombajn na wyższy bieg, aby mógł zgromadzić więcej energii na bardziej złożone potrzeby sensoryczne.
„Podobnie jak podczas zmiany biegów w rowerze, interfejs zarządzania energią sprawdza, jak radzi sobie kombajn, sprawdzając, czy pedałuje zbyt mocno, czy zbyt delikatnie, a następnie zmienia obciążenie elektroniczne, aby zmaksymalizować ilość mocy zbiera plony i dopasowuje je do potrzeb czujnika” – wyjaśnia Monagle.
Czujnik z własnym zasilaniem
Korzystając z tych ram projektowych, zbudowali obwód zarządzania energią dla ogólnodostępnego czujnika temperatury. Urządzenie pobiera energię pola magnetycznego i wykorzystuje ją do ciągłego próbkowania danych o temperaturze, które następnie wysyła do interfejsu smartfona za pomocą Bluetooth.
Do zaprojektowania urządzenia badacze wykorzystali obwody o bardzo niskim poborze mocy, ale szybko odkryli, że obwody te mają ścisłe ograniczenia dotyczące napięcia, jakie mogą wytrzymać przed awarią. Pobranie zbyt dużej mocy może spowodować eksplozję urządzenia.
Aby tego uniknąć, system operacyjny zbieracza energii w mikrokontrolerze automatycznie dostosowuje lub zmniejsza uzysk, jeśli ilość zmagazynowanej energii staje się nadmierna.
Odkryli również, że komunikacja – przesyłanie danych zebranych przez czujnik temperatury – jest zdecydowanie najbardziej energochłonną operacją.
„Zapewnienie wystarczającej ilości zmagazynowanej energii czujnika do przesłania danych jest ciągłym wyzwaniem wymagającym starannego projektowania” – mówi Monagle.
W przyszłości naukowcy planują zbadać mniej energochłonne sposoby przesyłania danych, takie jak wykorzystanie optyki lub akustyki. Chcą także bardziej rygorystycznie modelować i przewidywać, ile energii może docierać do systemu lub ile energii może potrzebować czujnik do wykonywania pomiarów, aby urządzenie mogło skutecznie gromadzić jeszcze więcej danych.
„Jeśli wykonasz tylko te pomiary, które uważasz za potrzebne, możesz przeoczyć coś naprawdę cennego. Dzięki większej liczbie informacji możesz dowiedzieć się czegoś, czego się nie spodziewałeś na temat działania urządzenia. Nasze środowisko pozwala zrównoważyć te rozważania” – Leeb mówi.
Prace są częściowo wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej i Fundację Graingera.