System zaprojektowany w amerykańskim Massachusetts Institute of Technology (MIT) ma pozwolić na działanie sensorów w dalekich lokalizacjach bez konieczności korzystania z baterii.
Badacze z MIT opracowali czujnik zasilany energią pozyskiwaną ze środowiska. Eliminuje to potrzebę regularnego ładowania lub wymiany baterii. Taki sensor może być zainstalowany w trudno dostępnych miejscach, na przykład wewnątrz silnika statku, gdzie automatycznie zbiera dane o zużyciu energii i operacjach maszyny przez długi czas. Zespół skonstruował czujnik do pomiaru temperatury, który pozyskuje energię z pola magnetycznego generowanego w otoczeniu. Sensor można łatwo przymocować na przykład do kabla zasilającego silnik i automatycznie otrzymywać i przechowywać energię, którą przewód ten wypromieniowuje. A następnie wykorzystać go do monitorowania temperatury silnika.
„Jest to energia otoczenia, do której nie trzeba się specjalnie podłączać, aby ją pozyskać. I to sprawia, że ten sensor jest bardzo łatwy do zainstalowania” — mówi Steve Leeb, profesor inżynierii elektrycznej i mechanicznej na MIT. W opracowanym systemie naukowcy oferują przewodnik projektowy dla czujnika, który pozwala inżynierom zrównoważyć zasilanie energią dostępną w otoczeniu z jego potrzebami pomiarowymi. Framework projektowy nie jest ograniczony do sensorów pozyskujących zasoby z pola magnetycznego i może być zastosowany do tych korzystających z innych źródeł, takich jak drgania czy światło słoneczne.
Stworzony projekt może znacząco obniżyć koszty instalacji i utrzymania sieci czujników w fabrykach, magazynach i przestrzeniach komercyjnych. Potencjalne zastosowania obejmują monitorowanie systemów na statkach, gdzie dostęp do zasilania jest trudny, a energia czerpana z otoczenia mogłaby umożliwić instalację różnorodnych sensorów diagnostycznych, redukując wydatki na rzecz konserwacji.
Jak to zrobić?
Aby opracować skuteczny, bezbateryjny czujnik pozyskujący energię ze środowiska, badacze musieli sprostać trzem kluczowym wyzwaniom. Po pierwsze, system musi być zdolny do: „zimnego startu”. Oznacza to, że musi uruchomić swoją elektronikę bez początkowego napięcia. Osiągnęli to dzięki sieci zintegrowanych układów i tranzystorów. Pozwalają one systemowi pasywnie kumulować energię do uzyskania określonego progu. Całość włączy się, dopiero gdy zgromadzi wystarczającą moc do pełnego działania. Po drugie, system musi efektywnie przechowywać i przekształcać czerpaną energię, bez użycia baterii. Choć badacze mogliby ją dołączyć do układu, byłoby to dodatkowe skomplikowanie i mogłoby stanowić ryzyko np. pożarowe. „W wielu aplikacjach nawet nie masz luksusu wysłania technika do wymiany baterii. Zamiast tego nasz system jest bezobsługowy. Pozyskuje energię i działa samodzielnie” — dodaje Monagle.
Aby uniknąć użycia baterii, badacze wprowadzili wewnętrzne magazynowanie zasobów, które może obejmować szereg kondensatorów. Prostszy niż bateria, kondensator przechowuje energię w polu elektrycznym między przewodzącymi okładkami. Może on być wykonany z różnych materiałów, a jego parametry uda się dostosować do odmiennych warunków pracy, wymagań bezpieczeństwa i dostępnej przestrzeni. Zespół starannie zaprojektował kondensatory. To znaczy tak, aby były wystarczająco duże, aby przechowywać energię potrzebną do włączenia układu i rozpoczęcia aktywnego jej pozyskiwania, ale adekwatnie małe, aby faza ładowania nie trwała zbyt długo. Dodatkowo, ponieważ sensor może przez tygodnie lub nawet miesiące pozostawać wyłączony przed wykonaniem pomiaru, upewnili się, że kondensatory mogą magazynować dostateczną ilość energii, nawet jeśli część z niej z czasem wycieka.
Wreszcie, badacze opracowali też szereg algorytmów sterujących, które dynamicznie mierzą i planują zużycie zasobów przez urządzenie. Mikrokontroler, „mózg” interfejsu zarządzania energią, stale sprawdza, ile jest jej przechowywane. I decyduje, czy włączyć lub wyłączyć sensor. A także, czy wykonać pomiar lub zwiększyć, jeśli to możliwe, ilość zbieranej energii, aby zaspokoić bardziej złożone potrzeby pomiarowe. „Tak samo, jak przy zmianie przerzutek w rowerze, interfejs zarządzania energią patrzy na to, jak radzi sobie jej magazyn, sprawdzając w zasadzie, czy system pedałuje za mocno, czy za słabo. A następnie reguluje obciążenie elektroniczne, aby maksymalizować ilość czerpanych zasobów i dostosować ich zbieranie do potrzeb sensora” — wyjaśnia Monagle.
Czujnik, który sam się zasila
Korzystając z tego szablonu projektowego, zespół zbudował układ zarządzania energią dla dostępnego na rynku sensora temperatury. Urządzenie pozyskuje zasoby z pola magnetycznego i używa ich do ciągłego próbkowania danych temperaturowych, które przesyła do interfejsu smartfona za pomocą technologii Bluetooth. Badacze użyli układów o bardzo niskim poborze mocy do zaprojektowania urządzenia. Jednak szybko stwierdzili, że mają one ścisłe ograniczenia dotyczące tego, jakie napięcia mogą wytrzymać, zanim ulegną awarii. Pozyskiwanie zbyt dużej ilości energii mogłoby spowodować uszkodzenie takiego urządzenia. Aby tego uniknąć, system operacyjny modułu zbierania energii w mikrokontrolerze automatycznie dostosowuje lub ogranicza gromadzenie, jeśli ilość zasobów staje się zbyt duża, jak na zapotrzebowanie. „Zabezpieczenie czujnika przed dostarczeniem wystarczającej ilości energii do przesyłania danych to ciągłe wyzwanie, które wiąże się z ostrożnym projektowaniem” — mówi Monagle.
Badacze odkryli także, że komunikacja — przesyłanie danych zebranych przez czujnik temperatury — była zdecydowanie najbardziej zasobochłonną operacją. W przyszłości planuje się eksplorować mniej energetyczne środki, takie jak użycie interfejsów optycznych lub akustycznych. Naukowcy chcą również bardziej rygorystycznie modelować i przewidywać, ile energii może napływać do systemu lub ile może jej potrzebować czujnik do wykonania pomiarów. Dzięki czemu urządzenie może skutecznie zbierać jeszcze większe ilości danych. „Jeśli dokonasz tylko tych pomiarów, które uważasz za potrzebne, możesz przeoczyć coś naprawdę wartościowego. Dzięki większej ilości informacji można dowiedzieć się czegoś, czego nie spodziewałeś się odnaleźć na temat działania urządzenia. Nasz szablon pozwala zrównoważyć te względy” — mówi Leeb. „To dobrze udokumentowana praktyczna koncepcja tego, co powinien wewnętrznie obejmować samozasilający się moduł czujnika dla realistycznych scenariuszy aplikacji. Ogólne wytyczne projektowe, zwłaszcza dotyczące problemu zimnego startu, są bardzo pomocne” — mówi Jinyeong Moon, adiunkt w zakresie inżynierii elektrycznej i informatyki na Florida A&M University, który nie był zaangażowany w tę pracę. „Inżynierowie planujący zaprojektowanie modułu samopodtrzymującego dla bezprzewodowego modułu czujnika będą chętnie korzystać z tych założeń”.
Praca ta została częściowo wsparta przez Biuro Badań Morskich i Fundację Grainger.
Źródło: https://news.mit.edu/2024/self-powered-sensor-harvests-magnetic-energy-0118
Badacze z MIT opracowali czujnik zasilany energią pozyskiwaną ze środowiska. Eliminuje to potrzebę regularnego ładowania lub wymiany baterii. Taki sensor może być zainstalowany w trudno dostępnych miejscach, na przykład wewnątrz silnika statku, gdzie automatycznie zbiera dane o zużyciu energii i operacjach maszyny przez długi czas. Zespół skonstruował czujnik do pomiaru temperatury, który pozyskuje energię z pola magnetycznego generowanego w otoczeniu. Sensor można łatwo przymocować na przykład do kabla zasilającego silnik i automatycznie otrzymywać i przechowywać energię, którą przewód ten wypromieniowuje. A następnie wykorzystać go do monitorowania temperatury silnika.
„Jest to energia otoczenia, do której nie trzeba się specjalnie podłączać, aby ją pozyskać. I to sprawia, że ten sensor jest bardzo łatwy do zainstalowania” — mówi Steve Leeb, profesor inżynierii elektrycznej i mechanicznej na MIT. W opracowanym systemie naukowcy oferują przewodnik projektowy dla czujnika, który pozwala inżynierom zrównoważyć zasilanie energią dostępną w otoczeniu z jego potrzebami pomiarowymi. Framework projektowy nie jest ograniczony do sensorów pozyskujących zasoby z pola magnetycznego i może być zastosowany do tych korzystających z innych źródeł, takich jak drgania czy światło słoneczne.
Stworzony projekt może znacząco obniżyć koszty instalacji i utrzymania sieci czujników w fabrykach, magazynach i przestrzeniach komercyjnych. Potencjalne zastosowania obejmują monitorowanie systemów na statkach, gdzie dostęp do zasilania jest trudny, a energia czerpana z otoczenia mogłaby umożliwić instalację różnorodnych sensorów diagnostycznych, redukując wydatki na rzecz konserwacji.
Jak to zrobić?
Aby opracować skuteczny, bezbateryjny czujnik pozyskujący energię ze środowiska, badacze musieli sprostać trzem kluczowym wyzwaniom. Po pierwsze, system musi być zdolny do: „zimnego startu”. Oznacza to, że musi uruchomić swoją elektronikę bez początkowego napięcia. Osiągnęli to dzięki sieci zintegrowanych układów i tranzystorów. Pozwalają one systemowi pasywnie kumulować energię do uzyskania określonego progu. Całość włączy się, dopiero gdy zgromadzi wystarczającą moc do pełnego działania. Po drugie, system musi efektywnie przechowywać i przekształcać czerpaną energię, bez użycia baterii. Choć badacze mogliby ją dołączyć do układu, byłoby to dodatkowe skomplikowanie i mogłoby stanowić ryzyko np. pożarowe. „W wielu aplikacjach nawet nie masz luksusu wysłania technika do wymiany baterii. Zamiast tego nasz system jest bezobsługowy. Pozyskuje energię i działa samodzielnie” — dodaje Monagle.
Aby uniknąć użycia baterii, badacze wprowadzili wewnętrzne magazynowanie zasobów, które może obejmować szereg kondensatorów. Prostszy niż bateria, kondensator przechowuje energię w polu elektrycznym między przewodzącymi okładkami. Może on być wykonany z różnych materiałów, a jego parametry uda się dostosować do odmiennych warunków pracy, wymagań bezpieczeństwa i dostępnej przestrzeni. Zespół starannie zaprojektował kondensatory. To znaczy tak, aby były wystarczająco duże, aby przechowywać energię potrzebną do włączenia układu i rozpoczęcia aktywnego jej pozyskiwania, ale adekwatnie małe, aby faza ładowania nie trwała zbyt długo. Dodatkowo, ponieważ sensor może przez tygodnie lub nawet miesiące pozostawać wyłączony przed wykonaniem pomiaru, upewnili się, że kondensatory mogą magazynować dostateczną ilość energii, nawet jeśli część z niej z czasem wycieka.
Wreszcie, badacze opracowali też szereg algorytmów sterujących, które dynamicznie mierzą i planują zużycie zasobów przez urządzenie. Mikrokontroler, „mózg” interfejsu zarządzania energią, stale sprawdza, ile jest jej przechowywane. I decyduje, czy włączyć lub wyłączyć sensor. A także, czy wykonać pomiar lub zwiększyć, jeśli to możliwe, ilość zbieranej energii, aby zaspokoić bardziej złożone potrzeby pomiarowe. „Tak samo, jak przy zmianie przerzutek w rowerze, interfejs zarządzania energią patrzy na to, jak radzi sobie jej magazyn, sprawdzając w zasadzie, czy system pedałuje za mocno, czy za słabo. A następnie reguluje obciążenie elektroniczne, aby maksymalizować ilość czerpanych zasobów i dostosować ich zbieranie do potrzeb sensora” — wyjaśnia Monagle.
Czujnik, który sam się zasila
Korzystając z tego szablonu projektowego, zespół zbudował układ zarządzania energią dla dostępnego na rynku sensora temperatury. Urządzenie pozyskuje zasoby z pola magnetycznego i używa ich do ciągłego próbkowania danych temperaturowych, które przesyła do interfejsu smartfona za pomocą technologii Bluetooth. Badacze użyli układów o bardzo niskim poborze mocy do zaprojektowania urządzenia. Jednak szybko stwierdzili, że mają one ścisłe ograniczenia dotyczące tego, jakie napięcia mogą wytrzymać, zanim ulegną awarii. Pozyskiwanie zbyt dużej ilości energii mogłoby spowodować uszkodzenie takiego urządzenia. Aby tego uniknąć, system operacyjny modułu zbierania energii w mikrokontrolerze automatycznie dostosowuje lub ogranicza gromadzenie, jeśli ilość zasobów staje się zbyt duża, jak na zapotrzebowanie. „Zabezpieczenie czujnika przed dostarczeniem wystarczającej ilości energii do przesyłania danych to ciągłe wyzwanie, które wiąże się z ostrożnym projektowaniem” — mówi Monagle.
Badacze odkryli także, że komunikacja — przesyłanie danych zebranych przez czujnik temperatury — była zdecydowanie najbardziej zasobochłonną operacją. W przyszłości planuje się eksplorować mniej energetyczne środki, takie jak użycie interfejsów optycznych lub akustycznych. Naukowcy chcą również bardziej rygorystycznie modelować i przewidywać, ile energii może napływać do systemu lub ile może jej potrzebować czujnik do wykonania pomiarów. Dzięki czemu urządzenie może skutecznie zbierać jeszcze większe ilości danych. „Jeśli dokonasz tylko tych pomiarów, które uważasz za potrzebne, możesz przeoczyć coś naprawdę wartościowego. Dzięki większej ilości informacji można dowiedzieć się czegoś, czego nie spodziewałeś się odnaleźć na temat działania urządzenia. Nasz szablon pozwala zrównoważyć te względy” — mówi Leeb. „To dobrze udokumentowana praktyczna koncepcja tego, co powinien wewnętrznie obejmować samozasilający się moduł czujnika dla realistycznych scenariuszy aplikacji. Ogólne wytyczne projektowe, zwłaszcza dotyczące problemu zimnego startu, są bardzo pomocne” — mówi Jinyeong Moon, adiunkt w zakresie inżynierii elektrycznej i informatyki na Florida A&M University, który nie był zaangażowany w tę pracę. „Inżynierowie planujący zaprojektowanie modułu samopodtrzymującego dla bezprzewodowego modułu czujnika będą chętnie korzystać z tych założeń”.
Praca ta została częściowo wsparta przez Biuro Badań Morskich i Fundację Grainger.
Źródło: https://news.mit.edu/2024/self-powered-sensor-harvests-magnetic-energy-0118
Fajne? Ranking DIY
