محققان MIT یک حسگر بدون باتری و خود کار ابداع کرده اند که می تواند انرژی را از محیط جمع آوری کند.
از آنجایی که نیازی به شارژ یا تعویض باتری ندارد و به سیم کشی خاصی نیاز ندارد، چنین سنسوری را می توان در مکانی صعب العبور، مانند داخل موتور کشتی تعبیه کرد. در آنجا، می‌تواند به‌طور خودکار داده‌های مصرف انرژی و عملکرد ماشین‌ها را در دوره‌های زمانی طولانی جمع‌آوری کند.
محققان دستگاهی برای اندازه گیری دما ساخته اند که انرژی را از میدان مغناطیسی تولید شده در خارج از منزل در اطراف یک سیم جمع آوری می کند. می توان به سادگی حسگر را به دور سیمی که الکتریسیته را حمل می کند – شاید سیمی که موتور را تغذیه می کند – بست و به طور خودکار انرژی را جمع آوری و ذخیره می کند که از آن برای نظارت بر دمای موتور استفاده می کند.
«این انرژی محیطی است—انرژی که برای بدست آوردن آن نیازی به ایجاد اتصال لحیم شده خاص نیست. استیو لیب، پروفسور امانوئل ای. لندزمن، پروفسور مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و پروفسور مهندسی مکانیک، عضو آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک و نویسنده ارشد مقاله در مورد حسگر جمع آوری انرژی
که در کاغذکه به عنوان یک مقاله برجسته در شماره ژانویه منتشر شد مجله سنسورهای IEEEمحققان یک راهنمای طراحی برای یک حسگر جمع‌آوری انرژی ارائه می‌کنند که به مهندسان اجازه می‌دهد انرژی موجود در محیط را با نیازهای حسی خود متعادل کنند.
این مقاله یک نقشه راه برای اجزای کلیدی دستگاهی که می تواند جریان انرژی را به طور مداوم در حین کار حس کرده و کنترل کند، ارائه می کند.
چارچوب طراحی همه کاره به حسگرهایی که انرژی را از میدان مغناطیسی برداشت می‌کنند محدود نمی‌شود و می‌تواند برای آنهایی که از منابع انرژی دیگر مانند لرزش یا نور خورشید استفاده می‌کنند، استفاده شود. می توان از آن برای ساخت شبکه های حسگر برای کارخانه ها، انبارها و فضاهای خرده فروشی استفاده کرد که هزینه نصب و نگهداری کمتری دارند.
ما نمونه‌ای از حسگر بدون باتری ارائه کرده‌ایم که کار مفیدی انجام می‌دهد و نشان داده‌ایم که این یک راه‌حل عملی است. اکنون ما امیدواریم که دیگران از چارچوب ما استفاده کنند تا بتوانند حسگرهای خود را طراحی کنند.”
اریک پونس، دانشجوی فارغ التحصیل EECS در گزارش به Monagle و Lieb پیوسته است.
جان دانل، دانشیار مهندسی تسلیحات و کنترل در آکادمی نیروی دریایی ایالات متحده که در این کار دخالتی نداشت، تکنیک های نظارت بر سیستم های کشتی را مطالعه می کند. او می‌گوید دسترسی به برق در یک کشتی می‌تواند دشوار باشد، زیرا خروجی‌های بسیار کمی وجود دارد و محدودیت‌های سختی در مورد تجهیزاتی که می‌توان به برق متصل کرد وجود دارد.
دانل می افزاید: «برای مثال، اندازه گیری مداوم ارتعاش در یک پمپ می تواند به خدمه اطلاعاتی در زمان واقعی در مورد یاتاقان و پشتیبانی از سلامتی بدهد، اما تأمین انرژی یک سنسور مقاوم سازی اغلب به زیرساخت های اضافی زیادی نیاز دارد که سرمایه گذاری ارزش آن را ندارد. سیستم‌های جمع‌آوری انرژی مانند این می‌توانند به نوسازی طیف گسترده‌ای از حسگرهای تشخیصی در کشتی‌ها کمک کنند و هزینه‌های نگهداری کلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.
کتابچه راهنمای دستور العمل
محققان مجبور شدند سه چالش کلیدی را برای ایجاد یک حسگر جمع‌آوری انرژی بدون باتری کارآمد برطرف کنند.
ابتدا، سیستم باید بتواند به صورت سرد شروع به کار کند، به این معنی که می تواند الکترونیک خود را بدون ولتاژ اولیه روشن کند. آنها با شبکه ای از مدارهای مجتمع و ترانزیستورها به این امر دست یافتند که به سیستم اجازه می دهد تا انرژی را تا رسیدن به یک آستانه مشخص ذخیره کند. سیستم فقط پس از ذخیره انرژی کافی برای کارکرد کامل روشن می شود.
دوم، سیستم باید انرژی جمع آوری شده را به طور موثر و بدون باتری ذخیره و تبدیل کند. در حالی که محققان می‌توانند یک باتری بگنجانند، اما این امر پیچیدگی بیشتری به سیستم می‌افزاید و می‌تواند خطر آتش‌سوزی را به همراه داشته باشد.
«شاید حتی این تجمل را نداشته باشید که یک تکنسین برای تعویض باتری بفرستید. در عوض، سیستم ما بدون تعمیر و نگهداری است. مونگل می افزاید: انرژی جمع می کند و به تنهایی کار می کند.
برای جلوگیری از استفاده از باتری، آنها شامل ذخیره انرژی داخلی هستند که ممکن است شامل یک سری خازن باشد. ساده تر از باتری، خازن انرژی را در میدان الکتریکی بین صفحات رسانا ذخیره می کند. خازن ها را می توان از مواد مختلفی ساخته و قابلیت های آنها را می توان با طیف وسیعی از شرایط عملیاتی، الزامات ایمنی و فضای موجود تنظیم کرد.
این تیم با دقت خازن ها را طوری طراحی کردند که به اندازه کافی بزرگ باشند تا انرژی مورد نیاز دستگاه را برای روشن شدن و شروع برداشت انرژی ذخیره کنند، اما به اندازه ای کوچک باشند که فاز شارژ زیاد طول نکشد.
همچنین، از آنجایی که حسگر می‌تواند هفته‌ها یا حتی ماه‌ها قبل از روشن شدن برای اندازه‌گیری طول بکشد، آنها اطمینان حاصل می‌کنند که خازن‌ها می‌توانند انرژی کافی را نگه دارند، حتی اگر مقداری از آن در طول زمان نشت کند.
در نهایت، آنها یک سری الگوریتم های کنترلی را توسعه دادند که به صورت پویا انرژی جمع آوری، ذخیره و استفاده شده توسط دستگاه را اندازه گیری و بودجه بندی می کند. میکروکنترلر، «مغز» رابط مدیریت انرژی، دائماً میزان انرژی ذخیره شده را بررسی می‌کند و استنباط می‌کند که آیا سنسور را روشن یا خاموش کند، اندازه‌گیری کند، یا دروگر را به یک دنده بالاتر تغییر دهد تا بتواند مقدار بیشتری برداشت کند. انرژی برای بیشتر – نیازهای حسی پیچیده.
درست مانند زمانی که دنده را روی دوچرخه تعویض می‌کنید، رابط مدیریت قدرت به عملکرد کمباین نگاه می‌کند، اساساً می‌بیند که آیا رکاب زدن خیلی سخت است یا خیلی نرم، و سپس بار الکترونیکی را تغییر می‌دهد تا بتواند میزان توان جمع‌آوری شده را به حداکثر برساند. Monagle توضیح می دهد که محصول را با نیازهای حسگر مطابقت می دهد.
سنسور خود تغذیه
با استفاده از این چارچوب طراحی، آنها یک مدار مدیریت توان برای یک سنسور دمای استاندارد ساختند. این دستگاه انرژی میدان مغناطیسی را جمع آوری می کند و از آن برای نمونه برداری مداوم از داده های دما استفاده می کند که از طریق بلوتوث به رابط تلفن هوشمند ارسال می کند.
محققان از مدارهای بسیار کم مصرف برای طراحی دستگاه استفاده کردند، اما به سرعت دریافتند که این مدارها محدودیت های سختی برای تحمل ولتاژ قبل از خرابی دارند. جمع آوری بیش از حد انرژی ممکن است باعث انفجار دستگاه شود.
برای جلوگیری از این امر، سیستم عامل برداشت انرژی آنها در میکروکنترلر به طور خودکار برداشت را تنظیم یا کاهش می دهد اگر مقدار انرژی ذخیره شده بیش از حد شود.
آنها همچنین دریافتند که ارتباطات – انتقال داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط حسگر دما – بسیار پر انرژی‌ترین عملیات است.
Monagle می‌گوید: «اطمینان از اینکه حسگر انرژی ذخیره‌شده کافی برای انتقال داده‌ها دارد، یک چالش مداوم است که مستلزم طراحی دقیق است.
در آینده، محققان قصد دارند وسایل انتقال داده‌های کم‌مصرف انرژی مانند استفاده از اپتیک یا آکوستیک را کشف کنند. آنها همچنین می‌خواهند با دقت بیشتری مدل‌سازی و پیش‌بینی کنند که چه مقدار انرژی ممکن است به یک سیستم جریان پیدا کند، یا چه مقدار انرژی ممکن است یک حسگر برای اندازه‌گیری نیاز داشته باشد، تا دستگاه بتواند داده‌های بیشتری را جمع‌آوری کند.
“اگر فقط اندازه گیری هایی را انجام دهید که فکر می کنید نیاز دارید، ممکن است چیزی واقعاً ارزشمند را از دست بدهید. با اطلاعات بیشتر، ممکن است بتوانید چیزی را که انتظارش را نداشتید در مورد عملکرد دستگاه بیاموزید. لیب می گوید چارچوب ما به شما اجازه می دهد تا این ملاحظات را متعادل کنید.
این مقاله به خوبی مستند شده است که یک گره حسگر خودکار عملی باید در داخل برای سناریوهای واقع گرایانه باشد. جین یونگ مون، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در کالج مهندسی دانشگاه ایالتی فلوریدا، که در این کار دخالتی نداشت، گفت: دستورالعمل‌های کلی طراحی، به‌ویژه در مورد شروع سرد، بسیار مفید هستند. مهندسانی که قصد طراحی یک ماژول گره حسگر بی‌سیم خودران را دارند، از این دستورالعمل‌ها سود می‌برند و به راحتی از چک‌لیست‌های دست و پا گیر سنتی مرتبط با شروع سرد دور می‌زنند.
این کار تا حدی توسط دفتر تحقیقات دریایی و بنیاد گرنجر حمایت شد.
