【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】隨著5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的重要性愈發(fā)凸顯。預(yù)測(cè)稱，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量可能會(huì)增加到750億，這其中便包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳感器。然而，就目前情況來(lái)看，這些傳感器需要頻繁地更換電池，這對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)可能是個(gè)不小的問(wèn)題。
 

相關(guān)概念圖，圖自麻省理工學(xué)院
 

　　對(duì)此，近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員設(shè)計(jì)出一款由光伏供電的傳感器，或許可解決上述問(wèn)題。據(jù)介紹，用這種傳感器來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使用數(shù)年才需要更換電池。研究人員在普通射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽上，安裝薄膜鈣鈦礦電池，來(lái)作為能量收集器，是這一新型光伏供電傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。
 

　　據(jù)了解，這種電池具備低成本、靈活性和易制造等潛在優(yōu)勢(shì)，可在明亮的陽(yáng)光和較暗的室內(nèi)條件下為傳感器供電。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能給傳感器提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，可使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，并可將多個(gè)傳感器集成到一個(gè)RFID標(biāo)簽上。
 

　　研究人員介紹，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池體積龐大，且制造費(fèi)用相對(duì)昂貴，即便縮小其尺寸也需要耗費(fèi)相當(dāng)高的成本。而且，它們并不靈活，也不能被制成透明的，而透明屬性，對(duì)于放置在窗戶和汽車擋風(fēng)玻璃等環(huán)境上的溫度監(jiān)測(cè)傳感器來(lái)說(shuō)，是十分必要的。
 

　　實(shí)際上，現(xiàn)階段的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池還只能在較強(qiáng)的太陽(yáng)光下，而不是室內(nèi)低亮度的條件下有效地收集能量。
 

　　反觀鈣鈦礦電池，它可以使用簡(jiǎn)單的“卷對(duì)卷”制造技術(shù)進(jìn)行印刷，每套的成本只需幾美分，也就是不足一元人民幣。同時(shí)，用鈣鈦礦做的電池可以變得更薄、更加柔軟，且能做成透明的。它還能根據(jù)接收的光線做出調(diào)整，能從任何類型的室內(nèi)或者室外的照明環(huán)境中收集能量。
 

電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器
 

　　研究團(tuán)隊(duì)的想法就是，將低成本的電池與同樣低成本的RFID標(biāo)簽相結(jié)合，RFID是一種無(wú)電池的貼紙，可用來(lái)監(jiān)控?cái)?shù)十億種產(chǎn)品。這些貼紙中配有微型的超高頻天線，每一個(gè)制作成本大概也只有3到5美分，也是均不足一元人民幣。
 

　　RFID標(biāo)簽要依靠一種叫做“反向散射”(backscatter)的通信技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將調(diào)制過(guò)的無(wú)線信號(hào)從標(biāo)簽上反射回讀取器來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。一種稱為“讀取器”(reader)的無(wú)線設(shè)備(基本上類似于Wi-Fi路由器)會(huì)對(duì)標(biāo)簽發(fā)出ping信號(hào)，設(shè)備便會(huì)啟動(dòng)并反向散射出一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)，該信號(hào)包含了所粘貼產(chǎn)品的信息。
 

　　傳統(tǒng)上，標(biāo)簽會(huì)收集讀取器發(fā)送的少量射頻能量，來(lái)為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)部芯片供電，并使用剩余的能量來(lái)調(diào)制返回的信號(hào)。但這僅僅相當(dāng)于幾微瓦的功率，進(jìn)而將它們的通信范圍限制在了一米之內(nèi)。
 

　　而MIT研究人員的傳感器由一個(gè)塑料基板上的RFID標(biāo)簽組成，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池陣列則直接連接到標(biāo)簽上的集成電路中。與傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣，讀取器會(huì)掃視整個(gè)房間，每個(gè)標(biāo)簽都會(huì)做出響應(yīng)。但是，它并沒(méi)有使用讀取器的能量，而是從鈣鈦礦電池中獲取了能量，以使電路通電并通過(guò)反向散射RF信號(hào)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。
 

RFID標(biāo)簽，資料圖
 

　　這項(xiàng)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于定制單元。它們是分層制造的，鈣鈦礦材料夾在電極、陰極和特殊的電子傳輸層材料之間。這樣可達(dá)到約10%的效率，該數(shù)值對(duì)于仍處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)的鈣鈦礦電池來(lái)說(shuō)是相當(dāng)高的。
 

　　同時(shí)，這種分層結(jié)構(gòu)還可讓研究人員能夠調(diào)整每個(gè)電池的佳“帶隙”，這是一種電子運(yùn)動(dòng)特性，決定了在不同光照條件下電池的性能。然后，研究人員將這些獨(dú)立的個(gè)體合并為擁有四個(gè)單元的模塊。
 

　　在相關(guān)論文中，這些模塊在單次陽(yáng)光照射下能產(chǎn)生4.3V伏特的電量，這是衡量太陽(yáng)能電池在陽(yáng)光下產(chǎn)生多少電壓的標(biāo)準(zhǔn)。這足以給電路供電——大約1.5V，每隔幾秒就能發(fā)送約5米遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，這些模塊在室內(nèi)的照明條件下也具有類似性能。
 

　　在IEEE Sensors上的論文，主要展示了用于室內(nèi)應(yīng)用的寬帶隙鈣鈦礦電池。根據(jù)產(chǎn)生的電壓大小的不同，其在室內(nèi)熒光燈下的效率可達(dá)到 18.5%至21.4%之間。基本上，任何光源照射45分鐘，都可為室內(nèi)或室外的傳感器提供大約3個(gè)小時(shí)的電力。
 

RFID技術(shù)用于貨物跟蹤中，資料圖
 

　　這些傳感器可在室內(nèi)或室外放置數(shù)月或數(shù)年，直到它們降解并需要更換為止。具體使用時(shí)間取決于環(huán)境中的某些因素，如濕度和溫度等。對(duì)于需要在室內(nèi)和室外進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的所有傳感應(yīng)用而言，這一發(fā)明都是有價(jià)值的，包括跟蹤供應(yīng)鏈中的貨物、監(jiān)測(cè)土壤，以及監(jiān)測(cè)建筑物和家庭中設(shè)備等。
 

　　可以說(shuō)，這項(xiàng)工作基本上是使用能量收集器為各種應(yīng)用構(gòu)建增強(qiáng)的RFID標(biāo)簽。在此項(xiàng)工作中，RFID電路的原型只是用來(lái)監(jiān)測(cè)溫度的。接下來(lái)，研究人員的目標(biāo)是擴(kuò)大規(guī)模，并增加針對(duì)更多層面的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，例如濕度、壓力、振動(dòng)傳感器等。這些傳感器一旦被大規(guī)模部署，對(duì)于在室內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)收集的工作具有巨大的幫助，還能進(jìn)一步助力構(gòu)建算法，提高智能建筑的能源效率等。下一步，科研人員的工作是，利用印刷電子工藝集成這些相同的技術(shù)，進(jìn)一步降低該無(wú)線傳感器的制造成本。