【儀表網 儀表研發】隨著5G技術的發展，物聯網的重要性愈發凸顯。預測稱，到2025年，物聯網設備的數量可能會增加到750億，這其中便包括收集有關基礎設施和環境實時數據的傳感器。然而，就目前情況來看，這些傳感器需要頻繁地更換電池，這對長期監測來說可能是個不小的問題。
相關概念圖，圖自麻省理工學院
對此，近日，麻省理工學院(MIT)的研究人員設計出一款由光伏供電的傳感器，或許可解決上述問題。據介紹，用這種傳感器來傳輸數據，使用數年才需要更換電池。研究人員在普通射頻識別(RFID)標簽上，安裝薄膜鈣鈦礦電池，來作為能量收集器，是這一新型光伏供電傳感器的關鍵技術。
據了解，這種電池具備低成本、靈活性和易制造等潛在優勢，可在明亮的陽光和較暗的室內條件下為傳感器供電。此外，研究人員還發現，太陽能給傳感器提供了強大的動力，可使數據傳輸的距離更遠，并可將多個傳感器集成到一個RFID標簽上。
研究人員介紹，傳統太陽能電池體積龐大，且制造費用相對昂貴，即便縮小其尺寸也需要耗費相當高的成本。而且，它們并不靈活，也不能被制成透明的，而透明屬性，對于放置在窗戶和汽車擋風玻璃等環境上的溫度監測傳感器來說，是十分必要的。
實際上，現階段的傳統太陽能電池還只能在較強的太陽光下，而不是室內低亮度的條件下有效地收集能量。
反觀鈣鈦礦電池，它可以使用簡單的“卷對卷”制造技術進行印刷，每套的成本只需幾美分，也就是不足一元人民幣。同時，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。它還能根據接收的光線做出調整，能從任何類型的室內或者室外的照明環境中收集能量。
電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器
研究團隊的想法就是，將低成本的電池與同樣低成本的RFID標簽相結合，RFID是一種無電池的貼紙，可用來監控數十億種產品。這些貼紙中配有微型的超高頻天線，每一個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標簽要依靠一種叫做“反向散射”(backscatter)的通信技術，該技術通過將調制過的無線信號從標簽上反射回讀取器來傳輸數據。一種稱為“讀取器”(reader)的無線設備(基本上類似于Wi-Fi路由器)會對標簽發出ping信號，設備便會啟動并反向散射出一個獨特的信號，該信號包含了所粘貼產品的信息。
傳統上，標簽會收集讀取器發送的少量射頻能量，來為存儲數據的內部芯片供電，并使用剩余的能量來調制返回的信號。但這僅僅相當于幾微瓦的功率，進而將它們的通信范圍限制在了一米之內。
而MIT研究人員的傳感器由一個塑料基板上的RFID標簽組成，鈣鈦礦太陽能電池陣列則直接連接到標簽上的集成電路中。與傳統系統一樣，讀取器會掃視整個房間，每個標簽都會做出響應。但是，它并沒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反向散射RF信號來發送數據。
RFID標簽，資料圖
這項創新的關鍵在于定制單元。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。這樣可達到約10%的效率，該數值對于仍處于實驗室狀態的鈣鈦礦電池來說是相當高的。
同時，這種分層結構還可讓研究人員能夠調整每個電池的佳“帶隙”，這是一種電子運動特性，決定了在不同光照條件下電池的性能。然后，研究人員將這些獨立的個體合并為擁有四個單元的模塊。
在相關論文中，這些模塊在單次陽光照射下能產生4.3V伏特的電量，這是衡量太陽能電池在陽光下產生多少電壓的標準。這足以給電路供電——大約1.5V，每隔幾秒就能發送約5米遠的數據。同時，這些模塊在室內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應用的寬帶隙鈣鈦礦電池。根據產生的電壓大小的不同，其在室內熒光燈下的效率可達到 18.5%至21.4%之間。基本上，任何光源照射45分鐘，都可為室內或室外的傳感器提供大約3個小時的電力。
RFID技術用于貨物跟蹤中，資料圖
這些傳感器可在室內或室外放置數月或數年，直到它們降解并需要更換為止。具體使用時間取決于環境中的某些因素，如濕度和溫度等。對于需要在室內和室外進行長期監測的所有傳感應用而言，這一發明都是有價值的，包括跟蹤供應鏈中的貨物、監測土壤，以及監測建筑物和家庭中設備等。
可以說，這項工作基本上是使用能量收集器為各種應用構建增強的RFID標簽。在此項工作中，RFID電路的原型只是用來監測溫度的。接下來，研究人員的目標是擴大規模，并增加針對更多層面的環境監測傳感器，例如濕度、壓力、振動傳感器等。這些傳感器一旦被大規模部署，對于在室內進行長期數據收集的工作具有巨大的幫助，還能進一步助力構建算法，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，進一步降低該無線傳感器的制造成本。
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