传感器从导线磁场中清除能量助力物联网设备发展

MIT

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）in partnership with IEEE Xplore.

当生产线瘫痪时，汽车制造商每分钟可能损失高达22000美元。物联网（IoT，https://spectrum.ieee.org/tag/internet-of-things）设备可以在设备问题发生之前检测来帮助解决这一问题（https://spectrum.ieee.org/deep-learning-ai-listens-to-machines-for-signs-of-trouble），从而大幅降低维护成本。但为这些设备供电是一个阻碍其广泛采用的问题。现在，麻省理工学院的研究人员创造了一种易于安装的能量采集器，可以将普通电线周围的磁场转换为储存的能量，为自我运行的物联网设备供电。

许多物联网设备监测器都是用电池运行的，但由于火灾风险和更换破旧电池的成本，许多工业环境更加倾向于不使用电池。如果设备位于偏远地区，如船或风车，电池更换起来尤其困难。

这就是麻省理工学院（https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=10341273）研究的目的，该研究发表在1月份的《IEEE传感器杂志》（https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=7361）上。它建立在麻省理工学院教授Steven Leeb研究实验室十年的工作基础上，为物联网设备构建可靠且有弹性的能源管理系统制定了蓝图。

能量采集器被夹在承载电流的导线周围，并使用电磁感应从电流产生的磁场中获取能量。然后，能量被存储在物联网设备的电容器中，将其从电网和电池中释放出来。

根据Leeb的研究，仅仅清除能量是不够的。他说，物联网设备往往是乐观地构建的：设计师认为物联网设备（https://spectrum.ieee.org/thermoelectric-effect-iot）在传感器的整个使用寿命内总是会吸收足够的能量来运行，而且它们永远不会面临完全耗尽能量而需要重新启动的情况。Leeb说：“这是一个乐观的版本，一切都会好起来的。我们的经验是，事实并非如此。那么问题是，那又怎样呢？”

能源管理算法

研究人员发现，解决方案在于使用能量管理系统来仔细平衡能量采集器的需求和传感器的需求。该系统执行算法，该算法确定何时应优先考虑能量收集或数据收集。

能源管理系统的算法做出的具体决定将取决于应用程序。例如，通过测量电机振动来监测电机健康状况的传感器可能需要在特定时间优先收集数据，例如在电机旋转周期期间，即使这样做可能会严重消耗物联网设备的存储能量。

Leeb说：“在紧急情况下，你可能需要掌握信息，而在其他时候，最好让它收获一段时间。我们可以在没有信息的情况下生活一段时间，我们宁愿在确实需要信息的时候确保可用性。”

如果物联网设备完全没电，一旦获得足够的电力，能源管理系统应该有办法进行“冷启动”。研究人员的原型之所以能够做到这一点，是因为不需要电力来获取磁能；即使在其电容器为空之后，该设备也可以继续积累能量。合著者Eric Ponce目前在一家生产电机的公司（https://pcbstator.com/）负责研发，他表示，冷启动能力对于构建可靠的物联网系统尤为重要，因为它可以确保电力耗尽不会意味着设备“永远失效”。

研究人员发现，冷启动能力和算法能够正确地优先考虑能量收集和数据收集，这是可适应的物联网系统的关键。他们还开发了额外的设计指南，希望其他开发人员能够将他们的工作作为蓝图，并将其适应自己的特定应用程序。该指南适用于任何物联网设备，无论能量采集方法或传感器类型如何。

东北大学工程助理教授Aatmesh Shrivastava没有参与这项研究，但他表示，这项研究促进了物联网技术的发展。他说，自供电物联网领域的最大挑战之一是典型的能量采集器提供的能量与为设备供电所需的能量之间的差距。Shrivastava表示，能源管理系统“是实现自供电物联网系统的关键部分”。