חוקרי MIT פיתחו חיישן נטול סוללות המופעל על ידי עצמו שיכול לקצור אנרגיה מסביבתו. קרדיט: כריסטין דנילוף, MIT
מערכת שתוכננה ב MIT יכול לאפשר לחיישנים לפעול בהגדרות מרוחקות, ללא סוללות.
חוקרי MIT פיתחו חיישן נטול סוללות המופעל על ידי עצמו שיכול לקצור אנרגיה מסביבתו.
מכיוון שהוא לא דורש סוללה שחובה להטעין או להחליף, ומכיוון שהוא לא דורש חיווט מיוחד, חיישן כזה יכול להיות מוטבע במקום שקשה להגיע אליו, כמו בתוך הפעילות הפנימית של מנוע הספינה. שם, הוא יכול לאסוף באופן אוטומטי נתונים על צריכת החשמל של המכונה ופעולותיה לפרקי זמן ארוכים.
ניצול אנרגיית הסביבה בקלות
החוקרים בנו מכשיר חישת טמפרטורה הקוצר אנרגיה מהשדה המגנטי שנוצר באוויר הפתוח סביב חוט. אפשר פשוט להצמיד את החיישן סביב חוט הנושא חשמל – אולי החוט שמניע מנוע – והוא יקצור ויאגור באופן אוטומטי אנרגיה שבה הוא משתמש כדי לנטר את טמפרטורת המנוע.
"זהו כוח סביבתי – אנרגיה שאני לא צריך ליצור חיבור ספציפי ומולחם כדי לקבל. וזה הופך את החיישן הזה לקל מאוד להתקנה", אומר סטיב ליב, פרופסור עמנואל א. לנדסמן להנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS) ופרופסור להנדסת מכונות, חבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה, ומחבר בכיר של נייר על חיישן קצירת האנרגיה.
ממשק ניהול אנרגיה זה הוא ה"מוח" של חיישן בעל הפעלה עצמית, נטול סוללות, שיכול לקצור את האנרגיה הדרושה לו כדי לפעול מהשדה המגנטי שנוצר באוויר הפתוח סביב חוט. קרדיט: באדיבות החוקרים, בעריכת MIT News
מדריך לעיצוב חיישנים לקצירת אנרגיה
בעיתון, שהופיע כמאמר המוצג בגיליון ינואר של ה- יומן חיישני IEEEהחוקרים מציעים מדריך עיצוב לחיישן קציר אנרגיה המאפשר למהנדס לאזן את האנרגיה הזמינה בסביבה עם צרכי החישה שלהם.
המאמר מציג מפת דרכים עבור מרכיבי המפתח של מכשיר שיכול לחוש ולשלוט בזרימת האנרגיה ללא הרף במהלך הפעולה.
מסגרת העיצוב הרב-תכליתית אינה מוגבלת לחיישנים הקוצרים אנרגיית שדה מגנטי, וניתנת ליישום על אלה המשתמשים במקורות כוח אחרים, כמו רעידות או אור שמש. זה יכול לשמש לבניית רשתות של חיישנים עבור מפעלים, מחסנים וחללים מסחריים שעלותם נמוכה יותר להתקנה ולתחזוקה.
"סיפקנו דוגמה לחיישן נטול סוללה שעושה משהו מועיל, והראינו שזהו פתרון בר מימוש כמעט. כעת יש לקוות שאחרים ישתמשו במסגרת שלנו כדי לגרום לכדור להתגלגל ולעצב חיישנים משלהם", אומר הסופר הראשי דניאל מונגל, סטודנט לתואר שני ב-EECS.
למונגל וליב מצטרף על המאמר סטודנט בוגר EECS אריק פונס.
ג'ון דונל, פרופסור חבר להנדסת נשק ובקרה באקדמיה הימית האמריקאית, שלא היה מעורב בעבודה זו, חוקר טכניקות לניטור מערכות אוניות. קבלת גישה לחשמל בספינה יכולה להיות קשה, הוא אומר, מכיוון שיש מעט מאוד שקעים ומגבלות קפדניות לגבי איזה ציוד ניתן לחבר.
"מדידה מתמדת של רטט של משאבה, למשל, יכולה לתת לצוות מידע בזמן אמת על תקינות המיסבים והתושבות, אבל הפעלת חיישן שיפוץ מצריכה לעתים קרובות כל כך הרבה תשתית נוספת שההשקעה לא משתלמת", מוסיף דונל. . "מערכות קציר אנרגיה כמו זו יכולות לאפשר להרכיב מגוון רחב של חיישני אבחון על ספינות ולהפחית משמעותית את העלות הכוללת של תחזוקה."
התגברות על אתגרי עיצוב
החוקרים נאלצו לעמוד בשלושה אתגרים מרכזיים כדי לפתח חיישן יעיל, נטול סוללות, לקציר אנרגיה.
ראשית, המערכת חייבת להיות מסוגלת להתנע קרה, כלומר היא יכולה להפעיל את האלקטרוניקה שלה ללא מתח התחלתי. הם השיגו זאת באמצעות רשת של מעגלים משולבים וטרנזיסטורים המאפשרים למערכת לאגור אנרגיה עד שהיא מגיעה לסף מסוים. המערכת תידלק רק לאחר שהיא מאחסנת מספיק חשמל כדי לפעול במלואה.
שנית, על המערכת לאגור ולהמיר את האנרגיה שהיא קוטפת ביעילות, וללא סוללה. בעוד שהחוקרים יכלו לכלול סוללה, זה יוסיף מורכבות נוספת למערכת ועלול להוות סיכון שריפה.
"אולי אפילו אין לך את המותרות לשלוח טכנאי להחליף סוללה. במקום זאת, המערכת שלנו נטולת תחזוקה. הוא קוצר אנרגיה ומפעיל את עצמו", מוסיף מונגל.
כדי להימנע משימוש בסוללה, הם משלבים אחסון אנרגיה פנימי שיכול לכלול סדרה של קבלים. פשוט יותר מסוללה, קבל אוגר אנרגיה בשדה החשמלי בין לוחות מוליכים. ניתן לייצר קבלים ממגוון חומרים, וניתן לכוון את היכולות שלהם למגוון תנאי הפעלה, דרישות בטיחות ושטח פנוי.
הצוות תכנן בקפידה את הקבלים כך שהם גדולים מספיק כדי לאחסן את האנרגיה שהמכשיר צריך כדי להפעיל ולהתחיל לקצור כוח, אבל קטנים מספיק כדי ששלב הטעינה לא ייקח יותר מדי זמן.
בנוסף, מכיוון שחיישן עשוי לעבור שבועות או אפילו חודשים לפני ההפעלה כדי לבצע מדידה, הם הבטיחו שהקבלים יכולים להחזיק מספיק אנרגיה גם אם חלק מהם ידלוף החוצה לאורך זמן.
לבסוף, הם פיתחו סדרה של אלגוריתמי בקרה המודדים ומתקצבים באופן דינמי את האנרגיה שנאספת, מאוחסנת ומשמשת את המכשיר. מיקרו-בקר, ה"מוח" של ממשק ניהול האנרגיה, בודק כל הזמן כמה אנרגיה מאוחסנת ומסיק אם להפעיל או לכבות את החיישן, לבצע מדידה, או לבעוט את הקוצר להילוך גבוה יותר כדי שיוכל לאסוף יותר אנרגיה עבור צרכי חישה מורכבים יותר.
"בדיוק כמו כשאתה מחליף הילוך על אופניים, ממשק ניהול האנרגיה בוחן את מצבו של הקציר, בעצם רואה אם הוא דווש חזק מדי או רך מדי, ואז הוא משנה את העומס האלקטרוני כך שהוא יכול למקסם את כמות הכוח זה קציר והתאמה של הקציר לצרכי החיישן", מסביר מונגל.
חיישן בעל הפעלה עצמית
באמצעות מסגרת עיצוב זו, הם בנו מעגל ניהול אנרגיה עבור חיישן טמפרטורה מהמדף. המכשיר קוצר אנרגיית שדה מגנטי ומשתמש בה כדי לדגום ללא הרף נתוני טמפרטורה, אותם הוא שולח לממשק סמארטפון באמצעות Bluetooth.
החוקרים השתמשו במעגלים בעלי הספק סופר נמוך כדי לתכנן את המכשיר, אך מהר מאוד גילו שלמעגלים הללו יש הגבלות קשות על כמה מתח הם יכולים לעמוד לפני התקלקלות. קצירת כוח רב מדי עלולה לגרום למכשיר להתפוצץ.
כדי להימנע מכך, מערכת ההפעלה של קוצר האנרגיה שלהם במיקרו-בקר מתאימה או מקטינה את הקציר באופן אוטומטי אם כמות האנרגיה המאוחסנת הופכת להיות מוגזמת.
הם גם גילו שתקשורת – העברת נתונים שנאספו על ידי חיישן הטמפרטורה – הייתה ללא ספק הפעולה הזוללת ביותר.
"הבטחת לחיישן יש מספיק אנרגיה מאוחסנת כדי להעביר נתונים היא אתגר מתמיד הכרוך בתכנון קפדני", אומר מונגל.
בעתיד, החוקרים מתכננים לחקור אמצעים פחות עתירי אנרגיה להעברת נתונים, כמו שימוש באופטיקה או אקוסטיקה. הם גם רוצים לדגמן ולחזות בקפדנות יותר כמה אנרגיה עשויה להיכנס למערכת, או לכמה אנרגיה חיישן עשוי להזדקק כדי לבצע מדידות, כך שמכשיר יכול למעשה לאסוף אפילו יותר נתונים.
"אם תבצע רק את המדידות שאתה חושב שאתה צריך, אתה עלול לפספס משהו בעל ערך באמת. עם מידע נוסף, ייתכן שתוכל ללמוד משהו שלא ציפית לגבי פעולות המכשיר. המסגרת שלנו מאפשרת לך לאזן את השיקולים האלה", אומר ליב.
"מאמר זה מתועד היטב בנוגע למה שצומת חיישן מעשי בעל הפעלה עצמית צריך לכלול באופן פנימי עבור תרחישים מציאותיים. הנחיות התכנון הכוללות, במיוחד בנושא ההתחלה הקרה, עוזרות מאוד", אומר ג'יניונג מון, עוזר פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת פלורידה A&M-אוניברסיטת מדינת פלורידה המכללה להנדסה שלא הייתה מעורבת בעבודה זו. "מהנדסים המתכננים לתכנן מודול בעל הפעלה עצמית עבור צומת חיישן אלחוטי ייהנו מאוד מההנחיות הללו, ויסמכו בקלות רשימות תיוג מסורתיות הקשורות להתחלה קרה."
העבודה נתמכת, בחלקה, על ידי המשרד לחקר הצי וקרן גריינג'ר.
