Створено датчик з автономним живленням, який збирає магнітну енергію

Дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили датчик без батареї з автономним живленням, який може збирати енергію з навколишнього середовища. Оскільки для нього не потрібна батарея, яку потрібно заряджати чи замінювати, а також оскільки для нього не потрібна спеціальна проводка, такий датчик можна вбудувати у важкодоступне місце, наприклад, у внутрішній частині двигуна судна. Там він міг автоматично збирати дані про енергоспоживання та роботу машини протягом тривалого часу.

Дослідники створили датчик температури, який збирає енергію від магнітного поля, що створюється на відкритому повітрі навколо дроту. Можна просто закріпити датчик навколо дроту, що переносить електрику — можливо, дроту, який живить двигун — і він автоматично збиратиме та накопичуватиме енергію, яку використовує для моніторингу температури двигуна.

«Це енергія навколишнього середовища — енергія, для отримання якої мені не потрібно створювати спеціальне паяне з’єднання. І це робить цей датчик дуже простим у встановленні», — говорить Стів Ліб, професор електротехніки та комп’ютерних наук Емануеля Е. Лендсмана. (EECS) і професор машинобудування, член дослідницької лабораторії електроніки та старший автор статті про датчик збору енергії.

У документі, який був опублікований як головна стаття в січневому номері журналу IEEE Sensors Journal, дослідники пропонують керівництво з проєктування датчика збору енергії, який дозволяє інженеру збалансувати доступну енергію в навколишньому середовищі зі своїми потребами в сенсорах.

У документі викладено дорожню карту для ключових компонентів пристрою, який може відчувати та контролювати потік енергії постійно під час роботи. Універсальна структура дизайну не обмежується сенсорами, які збирають енергію магнітного поля, і може бути застосована до тих, які використовують інші джерела живлення, як-от вібрація чи сонячне світло. Його можна використовувати для побудови мереж датчиків для фабрик, складів і комерційних приміщень, встановлення та обслуговування яких коштує менше.

«Ми надали приклад датчика без батареї, який робить щось корисне, і показали, що це практично реалізоване рішення. Тепер, сподіваюся, інші використовуватимуть нашу структуру, щоб почати проектувати власні датчики», — говорить провідний автор Деніел. Монагл, аспірант EECS. До Монагля та Ліба приєднався аспірант EECS Ерік Понс.

Джон Доннал, ад’юнкт-професор зброї та інженерних засобів управління Військово-морської академії США, який не брав участі в цій роботі, вивчає методи моніторингу систем корабля. За його словами, отримати доступ до електроенергії на кораблі може бути складно, оскільки тут дуже мало розеток і суворі обмеження щодо того, яке обладнання можна підключати.

«Наприклад, постійне вимірювання вібрації насоса може дати екіпажу інформацію в реальному часі про справність підшипників і кріплень, але для живлення модернізованого датчика часто потрібна така велика кількість додаткової інфраструктури, що інвестиції не виправдані», — додає Доннал. «Подібні системи збору енергії можуть зробити можливим модернізацію різноманітних діагностичних датчиків на кораблях і значно знизити загальну вартість обслуговування».

Датчик з автономним живленням

Використовуючи цю конструкцію, вони створили схему керування енергією для стандартного датчика температури. Пристрій збирає енергію магнітного поля та використовує її для постійного відбору даних про температуру, які він надсилає на інтерфейс смартфона за допомогою Bluetooth.

Дослідники використовували схеми наднизької потужності для розробки пристрою, але швидко виявили, що ці схеми мають жорсткі обмеження щодо того, скільки напруги вони можуть витримати перед поломкою. Збирання занадто великої кількості енергії може призвести до вибуху пристрою.

Щоб уникнути цього, їхня операційна система збору енергії в мікроконтролері автоматично регулює або зменшує врожай, якщо кількість накопиченої енергії стає надмірною. Вони також виявили, що зв’язок — передача даних, зібраних датчиком температури — була, безумовно, найбільш енергоємною операцією.

«Забезпечення достатньої запасеної енергії датчика для передачі даних є постійною проблемою, яка вимагає ретельного проектування», — говорить Монагл.

У майбутньому дослідники планують вивчити менш енергоємні засоби передачі даних, такі як використання оптики чи акустики. Вони також хочуть більш ретельно моделювати та прогнозувати, скільки енергії може надходити в систему або скільки енергії може знадобитися датчику для проведення вимірювань, щоб пристрій міг ефективно збирати ще більше даних.

«Якщо ви проводите лише ті вимірювання, які, на вашу думку, потрібні, ви можете пропустити щось дійсно цінне. Отримавши більше інформації, ви можете дізнатися про роботу пристрою те, чого не очікували. Наша структура дозволяє збалансувати ці міркування», — Ліб. каже.

«Ця стаття добре задокументована щодо того, що практичний вузол датчика з автономним живленням має включати в себе для реалістичних сценаріїв. Загальні вказівки щодо проєктування, особливо щодо проблеми холодного запуску, дуже корисні», — говорить Джіньйон Мун, доцент кафедри електротехніки. і комп’ютерної інженерії в інженерному коледжі Університету штату Флорида, який не брав участі в цій роботі.

«Інженери, які планують розробити автономний модуль для бездротового сенсорного вузла, отримають значну користь від цих інструкцій, легко перевіряючи традиційно громіздкі контрольні списки, пов’язані з холодним пуском».