文章导读

全球气候变化与人口增长正加剧饮用水资源短缺。更严峻的是，供水管网中约30%的淡水在输送过程中因管道泄漏而流失。传统检测手段依赖人工巡查或电池供电设备，前者效率低下且成本高昂，后者存在电池更换困难、环境负担等问题。地下管网监测面临双重挑战：一是管网深埋于城市道路下方1.2-1.5米处，传感器部署需突破能源供给与信号传输的技术瓶颈；二是现有能量收集技术 (如电磁/磁流体发电机) 存在破坏管道压力、接触水质引发卫生隐患等缺陷。来自瑞士苏黎世应用科技大学的Andreas Rüst教授团队在 Journal of Low Power Electronics and Applications 上发表题为“Batteryless Sensor Devices for Underground Infrastructure—A Long-Term Experiment on Urban Water Pipes”的研究论文，针对地下环境特性，提出基于热电发电机 (TEG) 的无电池传感方案，旨在实现全年自主供电的管网状态监测。

• 愿景图：设备无需电池，以免维护的方式监测地下基础设施，例如在早期检测水管泄漏。

研究内容

该研究团队开发了创新型能量收集装置，其核心是通过铝制导热模块捕获水管与土壤间的微小温差。当温差≥0.5 ℃时，两组极性相反的TEG模块可将热能转化为电能，经EM8900升压芯片处理后存入超级电容。储能达阈值后，nRF52840微控制器启动BME280传感器采集环境数据，并通过SX1261射频模块以LoRaWAN协议将数据传至地面网关。整套系统采用聚乙烯防护外壳，在瑞士温特图尔和沙夫豪森两地水管进行为期18个月的埋地实验。

关键技术突破体现在三方面：

• 热力学优化：通过铝制导热套筒与聚氨酯隔热层设计，将直径40 mm水管与周围土壤的温差提升至2.1 ℃ (冬季最大达5 ℃)，使TEG在极低温差下仍能产生有效电能。
• 电源管理：采用EM8502电源管理芯片实现纳米级休眠功耗 (0.2 mJ/次)，单次完整工作周期 (测量+传输) 仅消耗230.4 mJ能量，其中87%用于LoRaWAN通信 (SF12模式)。
• 通信可靠性：针对地下信号衰减特性，选择868 MHz频段LoRaWAN技术，在1.4米埋深条件下仍保持稳定传输，全年数据包接收率达94.3%。

研究同步建立了土壤温度预测模型 (CoupModel)，通过分析11个瑞士气象站20年数据，验证了道路覆盖层下土壤温度动态的模拟精度 (RSR=0.31-0.46)。模型显示，沥青路面下的土壤温度受气温影响显著 (皮尔逊系数0.91)，而与降雨量无直接关联，这为设备部署选址提供了理论依据。

研究总结

实验数据显示，装置在全年94%的天数中可完成至少1次/日的监测任务，日均收集能量21焦耳，完全满足压力/振动传感器的供电需求。在温差最小的春秋季 (3-4月)，通过优化储能系统仍可维持22天连续工作。与现有技术相比，该方案具备三大优势：非侵入式设计避免水质污染、无运动部件提升可靠性、超低运维成本。

未来研究将聚焦长效储能元件开发与智能电源管理系统，通过季节性能量调配进一步消除春季能量缺口。这项研究为地下管网实时监测提供了可持续解决方案，对全球水资源管理具有重要实践价值。

原文出自 JLPEA 期刊

Boebel, M.; Frei, F.; Blumensaat, F.; Ebi, C.; Meli, M.L.; Rüst, A. Batteryless Sensor Devices for Underground Infrastructure—A Long-Term Experiment on Urban Water Pipes. J. Low Power Electron. Appl. 2023, 13, 31. https://doi.org/10.3390/jlpea13020031

JLPEA 期刊介绍

期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号 VLSI 电路、架构和系统设计、SoC 和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的 CAD 工具和方法。目前被 Scopus、ESCI 等数据库收录。

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• 2024 CiteScore: 4.3