基于數(shù)據(jù)鏈路扭曲的水下能量采集

能量采集有著像是可以“不勞而獲”(something for nothing)的魅力。但現(xiàn)實(shí)是，這方面的開發(fā)工作通常必須付出大量的勞動(dòng)力和成本。盡管如此，當(dāng)電池或交流電(AC)無法供電的情況下，能量采集技術(shù)仍能提供電源以解決棘手的問題。

這正是美國麻省理工學(xué)院(MIT)研究團(tuán)隊(duì)近來的一項(xiàng)研究令人著迷之處。研究人員們不僅巧妙地利用壓電材料的震動(dòng)來采集能量，而且還密切結(jié)合了能量采集機(jī)制與數(shù)據(jù)傳輸鏈路。該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了兩種截然不同的現(xiàn)象——壓電效應(yīng)和反向散射，以提供適度的數(shù)據(jù)傳輸速率、免電池的水下傳感器和數(shù)據(jù)鏈路，研究人員將其稱為“壓電聲學(xué)反向散射”(PAB)系統(tǒng)。反向散射本身是一種眾所周知的技術(shù)，通常與被動(dòng)式RFID和其他系統(tǒng)搭配使用;它采用定向的撞擊能量來激發(fā)、供電以及提供響應(yīng)——通常是在電磁RF范圍(如圖1)。

圖1：RF和壓電聲學(xué)反向散射(PAB)之間存在某種相似性：(a) 顯示無線電反向散射如何透過控制天線阻抗開關(guān)而與0和1位進(jìn)行通訊;(b) 顯示PAB系統(tǒng)如何透過控制壓電阻抗開關(guān)而與0和1位進(jìn)行通訊。請(qǐng)注意，在吸收狀態(tài)下，傳感器可以采集能量。(來源：MIT)

在MIT研究團(tuán)隊(duì)的PAB系統(tǒng)中，發(fā)射器透過水將定向的聲波(壓力)發(fā)送到水下的壓電傳感器以及儲(chǔ)存?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)的電路¬¬——這些傳感數(shù)據(jù)可能是水的溫度、流量、鹽度或其他參數(shù)。該浸沒節(jié)點(diǎn)的電路板中安裝有壓電諧振器、能量采集單元和微控制器，如圖2。當(dāng)能量波撞擊傳感器時(shí)，壓電材料產(chǎn)生振動(dòng)并儲(chǔ)存所產(chǎn)生的電荷——這就是能量采集周期的開始。接下來，傳感器使用儲(chǔ)存的能量將波反射回接收器或根本不反射波。以這種方式在反射之間交替，對(duì)應(yīng)于傳輸數(shù)據(jù)中的位：接收器會(huì)將反射波視為1，無反射波則為0，因此可以譯碼串行數(shù)據(jù)串流。

圖2：機(jī)械和硬件制造：(a) 顯示采用免電池、模擬數(shù)字硬件設(shè)計(jì)的機(jī)械制造換能器;(b) 顯示分解的換能器視圖。(來源：MIT)

壓電組件作為能量采集器和接收器/發(fā)送器之間的關(guān)系緊密地結(jié)合在一起。當(dāng)傳感器要發(fā)送0位時(shí)，發(fā)送器將其聲波發(fā)送到節(jié)點(diǎn)。壓電諧振器吸收該波并使其略微變形(重新定向)，從而產(chǎn)生了少量可儲(chǔ)存的能量，待隨后進(jìn)行采集。由于壓電組件吸收了撞擊的能量，因此接收器未發(fā)現(xiàn)反射訊號(hào)而譯碼為0。

然而，當(dāng)傳感器要發(fā)送1位時(shí)，動(dòng)作/反應(yīng)會(huì)發(fā)生改變。發(fā)射器再次發(fā)送聲能波。但是，微控制器使用儲(chǔ)存的電荷向壓電諧振器發(fā)送電壓脈沖，脈沖電壓會(huì)影響壓電材料的結(jié)構(gòu)，以防止其變形。相反地，這種材料現(xiàn)在將入射波反射回接收器，并在此被感應(yīng)以及解碼為1。

當(dāng)我看到這篇文章時(shí)，最初的想法是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)非常緩慢，大約為幾位/秒(但這在許多傳感器應(yīng)用中仍然很有用)。但是在圖3的MIT大型儲(chǔ)水箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)(雖然并見得真的和海洋一樣，但仍是個(gè)起點(diǎn))，它們?cè)趥鞲衅骱徒邮掌髦g的傳輸，達(dá)到了高達(dá)3Kbps的速率以及長(zhǎng)達(dá)10公尺(M)的距離，可說是十分可觀的成果。

圖3：該系統(tǒng)正在MIT的水下測(cè)試池中進(jìn)行評(píng)估。(來源：MIT)

MIT媒體實(shí)驗(yàn)室(MIT media lab)以及該校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授Fadel Adib說：“一旦您可以發(fā)送1和0，就能發(fā)送任何信息?；旧?，我們可以僅根據(jù)傳入的聲音訊號(hào)與水下傳感器進(jìn)行通訊，這些聲音訊號(hào)就是我們正在采集的能量。”Fadel Adib同時(shí)也是Signal Kinetics Research Group的創(chuàng)辦人。

MIT的研究人員在SIGGRAPH 2019 (8月間舉行)期間發(fā)表這項(xiàng)研究時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)尚未將該系統(tǒng)部署于海洋中——海洋一直是讓許多電氣和電子領(lǐng)域傷腦筋的操作環(huán)境。甚至是海洋的鹽度也與每公升35克溶解鹽的典型值(約3.5%，即35ppm)不同，正常范圍為每公升33-37克。也可能出現(xiàn)明顯較高或較低鹽度的水下“河流”流經(jīng)某個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致鹽度阻抗不連續(xù)性，從而影響能量路徑。