Pesquisadores do MIT desenvolveram um sensor autoalimentado e sem bateria que pode coletar energia do ambiente. Crédito: Christine Daniloff, MIT
Um sistema projetado em COM poderia permitir que sensores operassem em ambientes remotos, sem baterias.
Pesquisadores do MIT desenvolveram um sensor autoalimentado e sem bateria que pode coletar energia do ambiente.
Como não requer bateria que deva ser recarregada ou substituída e como não requer fiação especial, esse sensor pode ser embutido em um local de difícil acesso, como dentro do funcionamento interno do motor de um navio. Lá, ele poderia coletar automaticamente dados sobre o consumo de energia e as operações da máquina por longos períodos de tempo.
Aproveitando a energia ambiente com facilidade
Os pesquisadores construíram um dispositivo sensor de temperatura que coleta energia do campo magnético gerado ao ar livre em torno de um fio. Poderíamos simplesmente prender o sensor em torno de um fio que transporta eletricidade – talvez o fio que alimenta um motor – e ele coletará e armazenará automaticamente a energia que usará para monitorar a temperatura do motor.
“Esta é a energia ambiente – energia que não preciso fazer uma conexão soldada específica para obter. E isso torna este sensor muito fácil de instalar”, diz Steve Leeb, professor Emanuel E. Landsman de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e professor de engenharia mecânica, membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica e autor sênior de um papel no sensor de coleta de energia.
Essa interface de gerenciamento de energia é o “cérebro” de um sensor autoalimentado e sem bateria que pode coletar a energia necessária para operar a partir do campo magnético gerado ao ar livre em torno de um fio. Crédito: Cortesia dos pesquisadores, editado por MIT News
Um guia para projeto de sensores de coleta de energia
No artigo, que apareceu como artigo de destaque na edição de janeiro da Diário de Sensores IEEEos pesquisadores oferecem um guia de projeto para um sensor de coleta de energia que permite ao engenheiro equilibrar a energia disponível no ambiente com suas necessidades de detecção.
O artigo apresenta um roteiro para os principais componentes de um dispositivo que pode detectar e controlar o fluxo de energia continuamente durante a operação.
A estrutura de design versátil não se limita a sensores que captam energia do campo magnético e pode ser aplicada àqueles que utilizam outras fontes de energia, como vibrações ou luz solar. Poderia ser usado para construir redes de sensores para fábricas, armazéns e espaços comerciais com menor custo de instalação e manutenção.
“Fornecemos um exemplo de sensor sem bateria que faz algo útil e mostramos que é uma solução praticamente realizável. Agora, esperançosamente, outros usarão a nossa estrutura para dar o pontapé inicial e projetar seus próprios sensores”, diz o autor principal Daniel Monagle, um estudante de pós-graduação do EECS.
Monagle e Leeb são acompanhados no artigo pelo estudante de graduação do EECS, Eric Ponce.
John Donnal, professor associado de engenharia de armas e controles na Academia Naval dos EUA que não esteve envolvido neste trabalho, estuda técnicas para monitorar sistemas de navios. Obter acesso à energia num navio pode ser difícil, diz ele, uma vez que existem muito poucas tomadas e restrições rigorosas quanto aos equipamentos que podem ser ligados.
“Medir persistentemente a vibração de uma bomba, por exemplo, poderia fornecer à equipe informações em tempo real sobre a integridade dos rolamentos e suportes, mas alimentar um sensor de retroajuste geralmente requer tanta infraestrutura adicional que o investimento não vale a pena”, acrescenta Donnal. . “Sistemas de captação de energia como este poderiam tornar possível a adaptação de uma ampla variedade de sensores de diagnóstico em navios e reduzir significativamente o custo geral de manutenção.”
Superando Desafios de Design
Os pesquisadores tiveram que enfrentar três desafios principais para desenvolver um sensor de coleta de energia eficaz, sem bateria.
Primeiro, o sistema deve ser capaz de dar partida a frio, o que significa que pode ligar seus componentes eletrônicos sem tensão inicial. Eles conseguiram isso com uma rede de circuitos integrados e transistores que permitem ao sistema armazenar energia até atingir um determinado limite. O sistema só será ligado quando tiver armazenado energia suficiente para funcionar totalmente.
Em segundo lugar, o sistema deve armazenar e converter a energia que capta de forma eficiente e sem bateria. Embora os pesquisadores pudessem ter incluído uma bateria, isso acrescentaria complexidades extras ao sistema e poderia representar risco de incêndio.
“Talvez você nem tenha o luxo de enviar um técnico para substituir uma bateria. Em vez disso, nosso sistema não necessita de manutenção. Ele coleta energia e opera sozinho”, acrescenta Monagle.
Para evitar o uso de bateria, eles incorporam armazenamento interno de energia que pode incluir uma série de capacitores. Mais simples que uma bateria, um capacitor armazena energia no campo elétrico entre placas condutoras. Os capacitores podem ser feitos de uma variedade de materiais e suas capacidades podem ser ajustadas para uma variedade de condições operacionais, requisitos de segurança e espaço disponível.
A equipe projetou cuidadosamente os capacitores para que fossem grandes o suficiente para armazenar a energia que o dispositivo precisa para ligar e começar a coletar energia, mas pequenos o suficiente para que a fase de carga não demore muito.
Além disso, como um sensor pode demorar semanas ou até meses antes de ser ligado para fazer uma medição, eles garantiram que os capacitores pudessem reter energia suficiente, mesmo que algum vazamento ocorresse com o tempo.
Finalmente, eles desenvolveram uma série de algoritmos de controle que medem e orçam dinamicamente a energia coletada, armazenada e utilizada pelo dispositivo. Um microcontrolador, o “cérebro” da interface de gerenciamento de energia, verifica constantemente quanta energia está armazenada e infere se deve ligar ou desligar o sensor, fazer uma medição ou aumentar a marcha da colheitadeira para que ela possa coletar mais energia para necessidades de detecção mais complexas.
“Assim como quando você muda de marcha em uma bicicleta, a interface de gerenciamento de energia analisa o desempenho da colheitadeira, verificando essencialmente se ela está pedalando com muita força ou com muita suavidade, e então varia a carga eletrônica para maximizar a quantidade de potência. está colhendo e combine a colheita com as necessidades do sensor”, explica Monagle.
Sensor autoalimentado
Usando essa estrutura de projeto, eles construíram um circuito de gerenciamento de energia para um sensor de temperatura pronto para uso. O dispositivo coleta energia do campo magnético e a utiliza para coletar continuamente amostras de dados de temperatura, que envia para uma interface de smartphone usando Bluetooth.
Os pesquisadores usaram circuitos de potência superbaixa para projetar o dispositivo, mas rapidamente descobriram que esses circuitos têm restrições rígidas sobre a quantidade de tensão que podem suportar antes de quebrar. A coleta de muita energia pode causar a explosão do dispositivo.
Para evitar isso, o sistema operacional do coletor de energia no microcontrolador ajusta ou reduz automaticamente a colheita se a quantidade de energia armazenada se tornar excessiva.
Eles também descobriram que a comunicação – a transmissão de dados coletados pelo sensor de temperatura – era de longe a operação que mais consumia energia.
“Garantir que o sensor tenha energia armazenada suficiente para transmitir dados é um desafio constante que envolve um design cuidadoso”, diz Monagle.
No futuro, os pesquisadores planejam explorar meios de transmissão de dados que consomem menos energia, como o uso de óptica ou acústica. Eles também querem modelar e prever com mais rigor quanta energia pode estar entrando em um sistema, ou quanta energia um sensor pode precisar para fazer medições, para que um dispositivo possa efetivamente coletar ainda mais dados.
“Se você fizer apenas as medições que acha necessárias, poderá perder algo realmente valioso. Com mais informações, você poderá aprender algo que não esperava sobre as operações de um dispositivo. Nossa estrutura permite equilibrar essas considerações”, diz Leeb.
“Este artigo está bem documentado sobre o que um nó sensor prático com alimentação própria deve implicar internamente para cenários realistas. As diretrizes gerais de projeto especialmente sobre a questão da partida a frio são muito úteis” diz Jinyeong Moon professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Florida A&M University-Universidade Estadual da Flórida Faculdade de Engenharia que não esteve envolvida neste trabalho. “Os engenheiros que planejam projetar um módulo autoalimentado para um nó sensor sem fio se beneficiarão muito com essas diretrizes, marcando facilmente listas de verificação tradicionalmente complicadas relacionadas à partida a frio.”
Referência: “Rule the Joule: An Energy Management Design Guide for Self-Powered Sensors” por Daniel Monagle, Eric A. Ponce e Steven B. Leeb, 1º de janeiro de 2024, Diário de Sensores IEEE.
DOI: 10.1109/JSEN.2023.3336529
O trabalho é apoiado, em parte, pelo Office of Naval Research e pela Grainger Foundation.
