재충전하거나 교체해야 하는 배터리가 필요하지 않고, 특별한 배선이 필요하지 않기 때문에 이러한 센서는 선박 엔진 내부와 같이 접근하기 어려운 곳에 내장될 수 있습니다.

그곳에서 기계의 전력 소비 및 장기간 작동에 대한 데이터를 자동으로 수집할 수 있습니다.

연구원들은 전선 주위의 야외에서 생성된 자기장에서 에너지를 수확하는 온도 감지 장치를 만들었습니다.전기를 전달하는 와이어(예: 모터에 전원을 공급하는 와이어) 주위에 센서를 고정하기만 하면 모터 온도를 모니터링하는 데 사용되는 에너지를 자동으로 수확하고 저장합니다.

"이것은 주변 전력, 즉 특정 납땜 연결을 만들 필요가 없는 에너지입니다. 따라서 이 센서를 설치하기가 매우 쉽습니다."라고 Emanuel E. Landsman 전기 공학 및 컴퓨터 교수인 Steve Leeb은 말합니다.과학(EECS)이자 기계 공학 교수, 전자 연구소 회원, 에너지 수확 센서에 관한 논문의 수석 저자입니다.

당시 신문에는출판됨1월호에 특집 기사로 실린IEEE 센서 저널, 연구원은 엔지니어가 환경에서 사용 가능한 에너지와 감지 요구 사항의 균형을 맞출 수 있는 에너지 수확 센서에 대한 설계 가이드를 제공합니다.

이 논문은 작동 중에 에너지 흐름을 지속적으로 감지하고 제어할 수 있는 장치의 핵심 구성 요소에 대한 로드맵을 제시합니다.

다재다능한 설계 프레임워크는 자기장 에너지를 수확하는 센서에만 국한되지 않고 진동이나 햇빛과 같은 다른 전원을 사용하는 센서에도 적용될 수 있습니다.설치 및 유지 관리 비용이 적게 드는 공장, 창고 및 상업 공간용 센서 네트워크를 구축하는 데 사용할 수 있습니다.

"우리는 유용한 기능을 수행하는 배터리 없는 센서의 예를 제공했으며 이것이 실질적으로 실현 가능한 솔루션임을 보여주었습니다. 이제 다른 사람들도 우리 프레임워크를 사용하여 자체 센서를 설계하기 위해 공을 굴릴 것입니다."라고 수석 저자인 Daniel은 말합니다.EECS 대학원생 Monagle입니다.Monagle과 Leeb은 EECS 대학원생 Eric Ponce와 함께 논문에 합류했습니다.

이 작업에 참여하지 않은 미국 해군 사관학교의 무기 및 제어 공학 부교수인 John Donnal은 선박 시스템을 모니터링하는 기술을 연구합니다.그는 콘센트가 거의 없고 어떤 장비를 연결할 수 있는지에 대한 엄격한 제한이 있기 때문에 선박에서 전원에 접근하는 것이 어려울 수 있다고 말합니다.

"예를 들어 펌프의 진동을 지속적으로 측정하면 승무원에게 베어링과 마운트의 상태에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있지만 개조 센서에 전원을 공급하려면 추가 인프라가 너무 많이 필요하므로 투자할 가치가 없는 경우가 많습니다."라고 Donnal은 덧붙입니다.."이와 같은 에너지 수확 시스템을 사용하면 선박의 다양한 진단 센서를 개조하고 전체 유지 관리 비용을 크게 줄일 수 있습니다."

방법 가이드

연구원들은 효율적이고 배터리가 필요 없는 에너지 수확 센서를 개발하기 위해 세 가지 주요 과제를 해결해야 했습니다.

첫째, 시스템은 콜드 스타트가 가능해야 합니다. 즉, 초기 전압 없이 전자 장치를 작동할 수 있어야 합니다.그들은 시스템이 특정 임계값에 도달할 때까지 에너지를 저장할 수 있도록 하는 집적 회로와 트랜지스터 네트워크를 통해 이를 달성했습니다.시스템은 완전히 작동할 만큼 충분한 전력을 저장한 후에만 켜집니다.

둘째, 시스템은 배터리 없이 효율적으로 수확한 에너지를 저장하고 변환해야 합니다.연구진은 배터리를 포함할 수도 있었지만 시스템에 복잡성을 더해 화재 위험을 초래할 수 있었습니다.

"배터리 교체를 위해 기술자를 파견할 여유조차 없을 수도 있습니다. 대신 우리 시스템은 유지 관리가 필요하지 않습니다. 시스템은 에너지를 수확하고 스스로 작동합니다."라고 Monagle은 덧붙입니다.

배터리 사용을 피하기 위해 일련의 커패시터를 포함할 수 있는 내부 에너지 저장 장치를 통합합니다.배터리보다 간단한 커패시터는 전도성 판 사이의 전기장에 에너지를 저장합니다.커패시터는 다양한 재료로 만들 수 있으며 그 성능은 다양한 작동 조건, 안전 요구 사항 및 사용 가능한 공간에 맞게 조정될 수 있습니다.

팀은 장치를 켜고 전력 수확을 시작하는 데 필요한 에너지를 저장할 수 있을 만큼 크면서도 충전 단계에 너무 오래 걸리지 않을 만큼 작도록 커패시터를 신중하게 설계했습니다.

또한 센서가 측정을 시작하기까지 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있으므로 시간이 지남에 따라 일부 누출이 발생하더라도 커패시터가 충분한 에너지를 유지할 수 있도록 보장했습니다.

마지막으로 그들은 장치에서 수집, 저장 및 사용되는 에너지를 동적으로 측정하고 예산을 책정하는 일련의 제어 알고리즘을 개발했습니다.에너지 관리 인터페이스의 "두뇌"인 마이크로컨트롤러는 얼마나 많은 에너지가 저장되어 있는지 지속적으로 확인하고 센서를 켜거나 끌 것인지, 측정을 할 것인지, 수확기를 더 높은 기어로 올려 더 많은 에너지를 수집할 것인지 추론합니다.더 복잡한 감지 요구 사항.

"자전거의 기어를 변경할 때와 마찬가지로 에너지 관리 인터페이스는 수확기의 작동 방식을 살펴보고 페달링이 너무 세게 또는 너무 약한지 확인한 다음 전자 부하를 변경하여 전력량을 최대화할 수 있습니다.수확을 하고 수확량을 센서의 요구 사항에 맞게 조정합니다."라고 Monagle은 설명합니다.

자체 전원 센서

이 설계 프레임워크를 사용하여 기성 온도 센서용 에너지 관리 회로를 구축했습니다.장치가 수확합니다.자기장에너지를 사용하여 온도 데이터를 지속적으로 샘플링하고 Bluetooth를 통해 스마트폰 인터페이스로 보냅니다.

연구원들은 초저전력 회로를 사용하여 장치를 설계했지만 이러한 회로가 파손되기 전에 견딜 수 있는 전압에 대해 엄격한 제한이 있다는 것을 빨리 발견했습니다.너무 많은 전력을 수확하면 장치가 폭발할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 마이크로컨트롤러의 에너지 하베스터 운영 체제는 저장된 에너지 양이 과도해지면 자동으로 하베스트를 조정하거나 줄입니다.

그들은 또한 온도 센서에 의해 수집된 데이터를 전송하는 통신이 지금까지 전력을 가장 많이 소모하는 작업이라는 것을 발견했습니다.

"센서에 데이터를 전송하기에 충분한 에너지가 저장되어 있는지 확인하는 것은 신중한 설계가 필요한 지속적인 과제입니다."라고 Monagle은 말합니다.

앞으로 연구원들은 광학이나 음향을 사용하는 등 에너지 집약적이지 않은 데이터 전송 수단을 탐색할 계획입니다.또한 그들은 시스템에 얼마나 많은 에너지가 유입될지, 얼마나 많은 에너지가 유입될지 더욱 엄격하게 모델링하고 예측하기를 원합니다.에너지센서는 측정을 수행해야 할 수 있으므로 장치는 더 많은 데이터를 효과적으로 수집할 수 있습니다."필요하다고 생각되는 측정만 수행한다면 정말 가치 있는 것을 놓칠 수 있습니다. 더 많은 정보를 얻으면 장치 작동에 대해 기대하지 않았던 것을 배울 수 있습니다. 우리의 프레임워크를 사용하면 이러한 고려 사항의 균형을 맞출 수 있습니다."

말한다.

"이 문서는 현실적인 시나리오를 위해 실용적인 자체 전력 공급 센서 노드가 내부적으로 무엇을 수반해야 하는지에 대해 잘 문서화되어 있습니다. 특히 콜드 스타트 ​​문제에 대한 전반적인 설계 지침은 매우 유용합니다."라고 전기과 문진영 조교수는 말합니다.이 작업에 참여하지 않은 플로리다 주립 대학 공과 대학의 컴퓨터 공학.

"무선 센서 노드를 위한 자체 전원 공급 모듈을 설계하려는 엔지니어는 이러한 지침을 통해 큰 이점을 얻을 수 있으며 전통적으로 번거로운 콜드 스타트 ​​관련 체크리스트를 쉽게 완료할 수 있습니다."

추가 정보:Daniel Monagle 외, Rule the Joule: 자체 구동 센서를 위한 에너지 관리 설계 가이드,IEEE 센서 저널(2023).DOI: 10.1109/JSEN.2023.3336529

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