Постоянно Включение беспроводных датчиков

Беспроводные датчики делаете для химической промышленности, процесс, что сотовые телефоны сделали для связи. Благодаря закону Мура, эти микроэлектромеханических систем (MEMS) становятся все меньше и более изощренными. В промышленных условиях, когда проводки (на $ 40/ft) обычно составляет 80% от стоимости датчика установок, беспроводные датчики, которые делают датчик данных в рамках существующих магистралей растений (из расчета $ 200 / датчик), могут позволить себе значительную экономию затрат ", говорит Джеймс Смит, аналитик с техническим Insights, подразделение Мороза

Тем не менее, тенденция к миниатюризации места критически ограничение на размер используемого аккумулятора для питания мобильных устройств, что требует частой подзарядки и / или резервного источника питания. "В типичных растений, стоимость замены батареи сотни беспроводных датчиков бы, расходов на оплату труда только превышает любую экономию, которые могут быть реализованы путем внедрения беспроводных", отмечает Смит. Добавить к тому, что широкое применение, где проводка не является практически ни даже возможным, например, для коррозионных датчиков имплантированных в длинных трубопроводов, или сенсоров, встроенных в химико-технологического оборудования для мониторинга машинного состоянии, и необходимость в долгосрочной - даже вечное - энергия источников стало Святой Грааль.

Так, например, беспроводных сенсорных сетей (WSNs) способны работать по подпункту мА средней мощности, что позволяет 3-постоянного тока батареи монету к власти датчика узла до 10 год или больше, в зависимости от частоты дискретизации, в соответствии с отраслевыми экспертов Tod Ридель, основатель и бывший президент тысячелетнего Net, Inc (Кембридж, Массачусетс; <a target="_blank" href="http://www.millennial.net" <rel="nofollow"> www.millennial.net / >). Но, когда датчики должны быть питание постоянно в течение длительного периода времени, батареи не делать класс.

Одно из возможных решений, что перспективным является использование энергии заготовки устройств, которые извлекают мощностью от условий окружающей среды и превратить ее в электричество. Обычные энергии технологий лесозаготовок включает фотоэлектрических материалов, которые превращают свет в электричество, и термоэлектрические материалы, которые преобразуют тепло в электричество. Тем не менее, в процессе завод, где большинство беспроводных датчиков должны быть установлены, механической энергии в виде вибрации и деформации (растяжения материала) и обильным и надежным. Примеры включают механические колебания, создаваемые машинами, трансляции радио частоты (РЧ) сигналов и изменение магнитных полей, создаваемых вращающегося оборудования.

Хотя технология может показаться слишком хорошо, чтобы быть правдой, принцип уже проявляется в потребительских продуктах, таких как Forever фонарик выступили Экскалибур электроника (Бока-Ратон, штат Флорида; <A HREF = "http://www.excaliburelectronics" мишень = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.excaliburelectronics </ A>. сот), который производит до 5 минут света после того как пользователь качает устройства в течение 30 сек или настолько, чтобы поручить его вверх (рис. 1).

Хорошие вибрации

Колебательной энергии уборка осуществляется через один из трех технологий - магнитная индукция, емкости и электроактивных материалов (боковой панели). Один материал, который хорошо подходит для недобранных энергии колебаний пьезоэлектрического типа, который изменяет свои физические объемы при помещении в электрическое поле, или, наоборот, создает электрическое поле при воздействии механических напряжений. Последние достижения в области этих материалов (например, создание монокристаллических волокон против массового сократить кристаллических волокон) привело к увеличению их механической энергии в электрическую с эффективностью преобразования 60% до 90%, и увеличила возможности деформации на 1,4%, в соответствии с Ридель.

Инженеры микродеформации, Inc (Williston, В.Т.; <a target="_blank" href="http://www.microstrain" rel="nofollow"> www.microstrain </ A>. Ком) разрабатывают энергии системы сбора на основе циклических хранения энергии деформации путем исправления пьезоэлектрических выход волокна в конденсаторов. Прототип фирмы, 17-см ^ ^ SUP 2 пьезо-электрический полосы, недавно был испытан, приклеивая ее к балке при переменных напряжений. "Когда напряжение с пьезо-электрический полосе обнаружена, управления питанием системы отключается передатчик позволит накопления заряда на конденсаторе," объясняет Крис Таунсенд, вице-президент микродеформации в. Когда пороговое напряжение 9,5 V обнаружен на конденсаторе, что накопленная энергия используется для питания беспроводной передатчик датчик, который посылает 418-МГц частоты смены набирать закодированный поток данных на расстояниях до одной трети мили , используя только 12 мА при V 3 ", объясняет он. Кроме того, власти могут быть сохранены на аккумулятор тонкопленочных, он указывает. программное обеспечение программирования позволяет единичной мощности заготовки прибор для работы со многими типами датчиков, в том числе термопары, напряжение датчиков, емкостных и индуктивных датчиков, а также датчики температуры и влажности ..

Williston, В. Т., компания недавно получила $ 700 000 для малого бизнеса инновационных исследований (SBIR) Грант из США кафедра обороны разработать технологию. В соответствии с этим 2-летней программы, новый класс беспроводных датчиков (или узлов) будет опираться на добычу деформации и колебательной энергии от рабочей среды для сбора информации и беспроводной передачи такой информации в центральный хост. "Это прорыв не только снизить стоимость датчика приложений за счет уменьшения дорогостоящей замены проводов и батарей, но также расширить применение датчиков, где могут быть развернуты", говорит Таунсенд. Микродеформации надеется разработать возможные коммерческой части к 2006 году.

Аналогичная работа ведется в сплошных фотоники, Inc (Биллерика, MA; <a target="_blank" href="http://www.continuumphotonics" rel="nofollow"> www.continuumphotonics </ A>. Сот) которого iPower энергии комбайны, отнесены либо патч основе (Power Patch) или инерционной (Power Chip) комбайнов, соответственно, получают энергию от деформации или вибрационного подложки, и сохраните его для использования в беспроводных датчиков или других электронных устройств. "И рассчитывать на запатентованные (США, сорт № 6580177) энергии заготовки сплошных электроники, которая адаптивно поддерживать оптимальную схему уборки условиях, для данного вида нарушения и амплитуды, в то время активного регулирования напряжения на датчик, чтобы максимизировать поток энергии к аккумулятору ", говорит Несбитт Хагуд, директор по технологиям сплошных Фотоника. "Это позволяет преодолеть многие ограничения, свойственные пассивной выпрямителя основе уборки подходы", добавляет он.

Сила патч устройства ~ 10 см ^ 2 ^ SUP поверхности связями пакеты, которые включают фирмы запатентованной (США, сорт № 5,869198 и 6048622) пьезоэлектрических волоконных композитов ламинированный энергии заготовки электроники на гибкой подложке. В результате поверхностных bondable, moldable и встраиваемый источник питания для беспроводного передатчика, который может сообщить, например, давления и температуры данных. Предложение непрерывной генерации мощность эквивалентной 0,25 мВт на ~ 1 Гц, мощность Патчи выдерживать экстремальные условия работы и жизни более чем 10 лет, в соответствии с Хагуд.

Сплошных разрабатывает прототип устройства нагрузки мониторинга, имплантируемых в тело и приводит их в движение человеком. Нераскрытой компании медико-устройства начнутся полевые испытания продукта в следующем году. Между тем, американская армия продолжает разработку пятки удара устройства сплошных, который урожаи энергии из пьезоэлектрических материалов, размещенных на пятку сапога. Материал деформируется около 5 мм в походкой 1 шаг / с, генерируя 250 мВт, которая будет использоваться для поставки резервного питания для батарей для солдат ancilary оборудования.

Фишки державы, каждая размером с пачку резинки, извлекать электроэнергию из механических колебаний, движения или удара и генерировать 1,2 мВт на 15 мг и 10 Гц, где G является ускорение силы тяжести. Как ориентир, выстукивая на столе создает колебания с G-сил примерно 0.02-20 мг, которые выявляются вручную. IPower пакета на рисунке 2, специально ориентированные на преобразование низком уровне (

В прошлом году, Ферро Solutions, Inc (Кембридж, Массачусетс; <a target="_blank" href="http://www.ferrosi.com" rel="nofollow"> www.ferrosi.com </ A>) начал и индуктивного типа и изменение пьезоэлектрических комбайны энергии (последний из которых также называют пассивным магнитострикционных электроактивных (PME) комбайнов), которые преобразуют низким уровнем вибрации (

В отличие от других энергетических заготовки подходы, которые обеспечивают низкого выходного напряжения, которая должна быть активизирована - таким образом, жертвуя ампер для того, чтобы власти датчики и другие беспроводные устройства - электромеханические подход Ферро обеспечивает высокое выходное напряжение и позволяет электроники устройства, чтобы уйти в отставку напряжение, тем самым увеличивая ток. "Использование наших комбайнов, систем контроля промышленного оборудования может питаться с колебаниями, как низко как 30 мг, говорит O'Handley.

Прототип Ферро индуктивного комбайн меры примерно 1,8 дюйма диаметром. на 1,8 дюйма высокой и выходы 9,3 мВт (2,82 мА при 3,3 V) от входных колебаний 21 Гц и 100 мг, это будет преобразовано в плотность энергии 2,0 мВт / в ^ ^ SUP 3. "Это выходная мощность не будет света номер или запустить ноутбук, но это генерировать ток, достаточный для запуска маломощных датчиков и радиоаппаратура," отмечает O'Handley. Удвоение объема индуктивного комбайн удвоится полезного выхода энергии. Мощность также растет линейно с увеличением частоты вибрации, и почти экспоненциально с увеличением перегрузки, добавляет он. При электроэнергии не используется сразу, он может храниться в аккумулятор или конденсатор. В этом месяце компания развертывает его первый прототип оценки комплектов, которые включают индуктивные комбайн энергии, цепи и конденсатор.

В отличие от PME устройство фирмы работают новых магнитных материалов в сочетании с пьезоэлектрического материала для производства энергии от вибраций или изменения магнитного поля. "Пьезоэлектрического материала зажатая между магнитострикционных материалов для усиления мощности, производя больше энергии, чем пьезо-устройств только в тех же условиях", отмечает O'Handley. Он добавляет, что материал PME также может быть использована для сбора энергии вибрации или использоваться в средах, например, в оборудование или жидкости, расходомеры, где Есть движущихся магнитов и изменение магнитных полей.

Ферро это полевые испытания 4 индуктивного типа комбайнов вибрации энергии на электростанции к власти Датчики и беспроводные передатчики, которые периодически собирать данные с оборудования и передачи данных wirelessIy. Компания также недавно был награжден SBIR контракт на дальнейшую разработку индуктивной энергии на базе комбайна для военно-морского флота, в который включаются окружающей среды вращающегося пропеллера, центробежные силы, которые будут создавать серьезные проблемы для стандартной конструкции комбайна.

В вспомогательных усилий, Rockwell Научно ° (Thousand Oaks, Калифорния; <a target="_blank" href="http://www.rockwellscientific.com" <rel="nofollow"> www.rockwellscientific.com /> ) была разработана для обработки поверхностей, процесс уменьшения трения между магнитом и без магнитной поверхности к нулю уровнях - в 40 раз ниже, чем трения между двумя поверхностями тефлона. Эта технология, внедрение в линейных электрических генераторов, резко повышает ее эффективность и обеспечивает энергией захвата от весьма незначительных внешних движений. Экологически прототипы были успешно продемонстрировали.

Гибридные решения

Гибридная комбайны энергии извлекать энергию из более чем один тип окружающего источник энергии. Технология готовят в Политехнический институт Турина (Torino, Италия; <a target="_blank" href="http://www.polito.it" rel="nofollow"> www.polito.it </>) и Univ. Павии (Павия, Италия; <a target="_blank" href="http://www.unipv.it" rel="nofollow"> www.unipv.it </ A>), где исследователи разработали власти -мусорщик, которая использует три различных источников энергии - фотоэлектрической энергии, механическое движение и вибрации и посвященный электронике, с тем чтобы маломощных автономных миниатюрных мониторинга. "Система предназначена для сбора максимально возможное количество энергии из всех источников и использовать его для зарядки обычных клеток литий-ионный использованием повышающий DC-DC преобразователя", говорит Фабио Casciati, профессор строительной механики в Univ. Павии.

Прототип состоит из малой мощности, низковольтных микропроцессоров, один или несколько датчиков, а трансивер короткодействующих радио-частоты, которые все с батарейным питанием, а энергия заготовки устройства работают только тогда, когда удобно, максимально преобразования энергии. Например, солнечные батареи обеспечивают энергию в дневное время, а магнитные преобразователи работает только под действием вибрации.

Электронных схем оценки входного напряжения, и, когда они превышают заданный порог, захват и скорректировать напряжения к соответствующему подзарядки значение. Система также обеспечивает микропроцессор с уровня заряда батареи, что позволяет интеллектуальное управление питанием.

Для сбора энергии движения, исследователи разработали магнитный преобразователь и пьезоэлектрических преобразователей, для более высокой периодичностью очистки энергии (т. е. от вибрации). В магнитный датчик, небольшой кантилевера держит магнит (который выступает в качестве основы катушка) на одном конце. Движение создает магнитного потока вариации внутри катушки, и, таким образом, электродвижущая сила. Магнитный датчик предлагает выходных напряжений 1oo мВ-2 V около 1000-

Аналогичный уровень энергии может быть достигнуто путем 2 Прототип РФ от 1 кГц и выходных напряжений 1-2 V в диапазоне низкочастотных вибраций (1-200 Гц).

Лучше батареи

Большинство беспроводных датчиков все еще используют слишком много энергии, а это значит, что их батареи либо должны быть очень большими или получить изменилась слишком часто. Теперь, маломощные беспроводные технологии под названием ZigBee является переписывание уравнения беспроводной датчик. Безопасные технологии, сети, которая едет на вершине недавно ратифицировала IEEE 802.15.4 радио стандарта ZigBee обещает положить беспроводных датчиков, начиная от системы промышленной автоматизации для систем домашней безопасности и заканчивая бытовой электроникой. В связи с 802.15.4, ZigBee предлагает батарей до нескольких лет общих батарейки. ZigBee устройства также должны быть недорогими, в конечном итоге продажи менее чем за $ 3/sensor узел, по некоторым оценкам.

На Univ Корнелла. (Г. Итака, штат Нью-Йорк; <a target="_blank" href="http://www.cornell.edu" rel="nofollow"> www.cornell.edu </ A>), исследователи пытаются сделать ядерного питание аккумулятора с очень длинным жизни. Они создали прототип батареи, которые используют пятнышко Ni-63 (радиоактивный изотоп) вибрировать крошечные кантилевера из небольшой кусок пьезоэлектрических материалов. Ni-63 имеет период полураспада около 100 лет, так что она может предоставить власть на протяжении нескольких десятилетий, по данным исследователей.

В то же время израильско-компания называется державы бумаги ООО (Петах-Тиква, Израиль; <a target="_blank" href="http://www.powerpaper.com" rel="nofollow"> www.powerpaper.com < />) работает на бумаге, тонкой гибкой батареи, которые могут быть использованы в радиочастотной идентификации метки (RFIDs), что позволяет им передавать сигнал на свои собственные. Эти аккумуляторы напечатанные на бумаге и других плоских поверхностей, что открывает возможности для одноразовых мобильных устройств и ламинированных удостоверений личности, которые передают тождества на более дальние расстояния, чем пассивное RFIDs.

Сохранение власти

Это одна вещь, чтобы сделать крошечный аккумулятора, а другой сделать это с достаточно сока для запуска в течение длительных периодов времени. И это проблема, в основном благодаря распределенный характер датчиков MEMS сети. Один из способов, что инженеры подходят к проблеме является сохранение через силовые методы управления. Многие приложения беспроводной датчик, таких как влажность обнаружения, возможно, не требуют постоянного мониторинга при определенных условиях. Каждый датчик может быть настроен на пробы воздуха раз в минуту или даже раз в час или день, что может значительно увеличить срок службы батарей.

Микродеформации в батарейках беспроводные датчики будут установлены в ячеистой сети (например, массив из нескольких беспроводных узлов связи, в которых данные прыжков с одного устройства на другое к небольшое устройство сбора или маршрутизатор подключен к Ethernet узел, а также с информацией и систем управления через центральный пункт сбора или шлюз) для таких приложений, как температура и влажность воздуха, влажности почвы или зондирования. "Это может быть хорошо обслуживают батареи, так как данных, частоты обновления 30 мин являются приемлемыми", говорит Таунсенд.

Связь контролируются таким образом, что позволяет узлов быть в ждущий режим, за исключением коротких промежутков, когда вспышки будут отправлены данные. "Это не только платформа · сделало батарейках системы проще в обслуживании. Это также помогает продлить жизнь аккумулятора, как правило, до 5-10 год", говорит Таунсенд. "Например, пять термопар может быть обеспечена в течение пяти лет от одной батареи АА, при передаче данных на 30-минутные интервалы", продолжает он.

Управление питанием только заходит так далеко, однако. Аккумуляторы имеют срок годности, и стекала, даже когда они не используются. Lucent, Inc (Murray Hill, NJ; <a target="_blank" href="http://www.lucent.com" rel="nofollow"> www.lucent.com </ A>) и mPhase технологий ( Норуолк, штат Коннектикут; <a target="_blank" href="http://www.mphasetech.com" rel="nofollow"> www.mphasetech.com </ A>) надеются решить годности проблемы решений крошечные батареи с наноматериалами, называется "nanograss". В своем незаряженных государства, nanograss является гидрофобным. Она может быть использована в крошечной батареи отделить жидким электролитом из электродов, при наличии аккумулятора очень длительного срока хранения.

Если сок необходимо, небольшого напряжения на nanograss. Это приводит к тому, чтобы стать nanograss гидрофильных и сосать электролита вниз между его лопастями, чтобы он мог вступить в контакт с электродом и обеспечить ток датчика.

Пылая новые тропы, тысячелетнего Чистая через неисключительную partnershipwith Ферро Solutions, разрабатывает первый батареек WSN устройств, в которых Ферро индуктивного комбайны воля тысячелетнего в iBeans (рис. 3). Эти монеты размера устройства имеют встроенный в программное обеспечение, которое позволяет им объединиться в ячеистой сети. O'Handley отмечает, что примерно один час стоит от колебаний типичный окно AC дому, может генерировать достаточно электричества через комбайн к власти я-Бин-передачи пакета данных, один раз каждые 20 с на один день. Андрей мая, генеральный директор тысячелетнего Net ", предсказывает, что партнерство позволит Ферро коммерческих вывозе продуктов питания за счет энергии комбайны в течение ближайших 6 до 12 месяцев.

Стратегии сокращения власти в области контроля и РФ схем, а также в беспроводной сети себе, имеют решающее значение для принятия энергии лесозаготовительной техники работоспособным. С этой целью микродеформации беспроводных зондирования используют регистрации данных трансиверов, которые обладают большей гибкостью в плане того, как датчики питаются и как чувствовал данные локально управляемые. "Например, мы обеспечиваем высокое sensorupdate номера по требованию. Клиенты могут потребовать увеличения контроля над алгоритмами, что беспроводные зондирования узлов под управлением", говорит Таунсенд.

Беспроводной сбора данных

Испытания и измерения приложения часто требуют использования беспроводных систем измерения деформации наряду с жесткого проводных датчиков, а также подключение к аналоговой системы сбора данных общения данных при высоких скоростях, одновременно и в реальном времени. Для того, чтобы легко поддерживать эти приложения, микродеформации разработала датчик трансивер узлов и базовых станций, способных использовать широкий диапазон частот связи РФ создали, хотя различные конфигурации программного обеспечения, одновременно общаться друг с другом без вмешательства РФ. Этот метод получил название мультиплексирования с разделением частот (FDM).

Agile-Link, беспроводного сбора данных системой компании, характеристики базовых станций, которые осуществляют сбор аналоговых данных (например, напряжение датчиков температуры с помощью многоканальной датчик узлами (например, G-Link, V-Link, и SG-ссылка беспроводных датчиков) и реконструировать аналоговых сигналов на выходах базовой станции.