【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)和對(duì)講機(jī)技術(shù)這幾年備受關(guān)注，然而這項(xiàng)技術(shù)不單單指?jìng)€(gè)人電腦和手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)相連，包括所有數(shù)十億個(gè)“物體”和設(shè)備為提高其使用效率而通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的無線互聯(lián)。這十億個(gè)物體的處置就是大工程。能量采集技術(shù)節(jié)能環(huán)保、輕松遠(yuǎn)程充電。取代物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池是大勢(shì)所趨。
物聯(lián)網(wǎng)上的物體和設(shè)備當(dāng)中包括傳感器配備的無線終端。無線傳感器終端連接上網(wǎng)后，將會(huì)采集其周圍的環(huán)境信息。
這些終端使用了測(cè)量溫度、濕度、光照、運(yùn)動(dòng)、壓力、應(yīng)力、失真、位置、流速和氣體等多種類型的傳感器。放置的傳感器終端數(shù)量越多，所采集到的數(shù)據(jù)就越多元化，精確度也越高。此類信息通常被稱為大數(shù)據(jù)，將有助于實(shí)現(xiàn)過去難以企及的設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)功能，以及提供全新的云服務(wù)和業(yè)務(wù)。
物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)對(duì)機(jī)的發(fā)展將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了重大影響，這要?dú)w功于半導(dǎo)體器件的演變和無線技術(shù)的進(jìn)步，因?yàn)樵骷?jí)的變革將推動(dòng)設(shè)備朝著無線、更小巧和更高效的方向發(fā)展。裝上電池后，無需電線就可以將設(shè)備放置在各種不同的地方。
電池問題
如上所述，物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)對(duì)機(jī)的一個(gè)重要需求是，能夠在各種各樣的地方放置無線傳感器終端收集數(shù)據(jù)。但是其中有一個(gè)很大的問題：配電線路的安裝，或是使用電池情況下的電池壽命或電池更換時(shí)間。只使用一、二十塊電池時(shí)沒有人會(huì)認(rèn)為這是個(gè)問題，但當(dāng)數(shù)量達(dá)到一萬、一百萬或一億時(shí)，就不僅要考慮電池的成本，還要考慮巨額的維修費(fèi)用。這是人們關(guān)注無線傳感器終端普及的一個(gè)重要原因。
能量采集技術(shù)可以提供一種解決方案。它使用太陽能電池、壓電元件和熱電元件等發(fā)電元件將光、振動(dòng)和熱能轉(zhuǎn)化為電能，然后有效地加以利用。
得益于半導(dǎo)體在提高發(fā)電元件的性能與降低有源器件的耗電量之間找到了平衡，這些技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。這是人們紛紛關(guān)注于這一關(guān)鍵技術(shù)的原因，它可以解決作為物聯(lián)網(wǎng)組成部分的無線傳感器終端的普及問題。
能量采集終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
無線傳感器終端由感知周圍環(huán)境的傳感器、處理采集數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)的微控制器(MCU)和進(jìn)行無線通信的無線芯片組成。與發(fā)電元件相匹配的電源IC取代了過去的鈕扣電池和干電池(見圖1)。
圖1：在能量采集無線傳感器終端中，能量采集器和電源管理IC取代了鈕扣電池和干電池。
圖2：與這些發(fā)電元件相匹配的電源IC包括用于光和振動(dòng)發(fā)電元件的超低功耗DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器MB39C811；以及用于光和熱發(fā)電元件的支持超低輸入電壓的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器MB39C831。選擇發(fā)電元件時(shí)必須首先考慮，從周圍環(huán)境中采集的能量，其類型是振動(dòng)、光還是熱能。最常用的類型是太陽能、壓電和熱電。用于發(fā)電元件的電源IC能夠無損、高效地從該元件收集電能，并向后級(jí)IC提供穩(wěn)定的電能，這也同樣重要(見圖2)。
[page]
發(fā)電元件
太陽能電池、壓電元件和熱電元件所產(chǎn)生的電能、輸出電壓和產(chǎn)生環(huán)境如圖3所示。每種元件產(chǎn)生的電能根據(jù)其尺寸和產(chǎn)生環(huán)境的不同而變化。將其集成到設(shè)備中時(shí)，需要全面了解以下情況：
● 可以獲得何種能源；
● 設(shè)備適合安裝何種尺寸的元件；
● 在設(shè)備中電能的產(chǎn)生與消耗之間會(huì)存在怎樣的平衡。
圖3：不同類型的常見能量采集技術(shù)，擁有不同的生成功率、輸出電壓和產(chǎn)生能量的環(huán)境因素。
還需要選擇一個(gè)與發(fā)電元件相匹配的電源IC。特別是發(fā)電元件輸出的電壓/電流/輸出特性(AC或DC)將根據(jù)元件的不同而變化，因而有必要選擇一個(gè)能提供最佳效果的電源IC。無線電源需求
與發(fā)電元件相同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的無線通信方式的選擇，也必須與其傳輸目的相匹配(見圖4)。需考慮的主要方面包括通信距離、將要搭建的網(wǎng)絡(luò)類型、數(shù)據(jù)傳輸量、應(yīng)用及功耗。在與能量采集技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，關(guān)注的重點(diǎn)是低功耗，因此可選用的無線技術(shù)有EnOcean、ZigBee和藍(lán)牙低功耗(BLE)。
圖4：傳感器終端選用的無線協(xié)議應(yīng)符合應(yīng)用的需求。此表提供了各種指標(biāo)的詳盡信息。
平衡產(chǎn)生與消耗在使用能量采集技術(shù)時(shí)，需要考慮的一個(gè)重點(diǎn)是，努力達(dá)到電能產(chǎn)生與消耗的平衡。這是因?yàn)槿绻娔艿漠a(chǎn)生小于消耗，設(shè)備將無法工作。盡管發(fā)電元件的發(fā)電特性在逐年提高，但還是很難為現(xiàn)有條件下的設(shè)備持續(xù)提供足夠的電力。解決該問題的一個(gè)方法是將產(chǎn)生的電力收集到電容中，并間歇性地執(zhí)行傳感器操作，從而平衡電力的產(chǎn)生和消耗。
為此，設(shè)計(jì)人員需要準(zhǔn)確了解發(fā)電元件的發(fā)電環(huán)境、所產(chǎn)生的電能及其所需時(shí)間，以及設(shè)備的功耗和耗電時(shí)間。圖5演示了使用發(fā)電時(shí)間、電能采集時(shí)間和耗電時(shí)間，解決電力產(chǎn)生、采集和消耗平衡的要點(diǎn)。
圖5：平衡設(shè)備能量采集與需求的方法之一是，連續(xù)采集能量而間歇性地操作無線傳感器終端。
能量采集開發(fā)工具
為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗，設(shè)計(jì)人員需要計(jì)算電能采集元件(電容器)的電能采集時(shí)間和可用的電負(fù)荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準(zhǔn)確估算出電能產(chǎn)生和消耗的情況下，該操作也需要反復(fù)試驗(yàn)。此外，當(dāng)電能產(chǎn)生和消耗的估算不準(zhǔn)時(shí)，必須計(jì)算出每種情況下的最優(yōu)值，或與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)。Spansion公司開發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計(jì)算和研究能量采集技術(shù)，只需簡(jiǎn)單的注冊(cè)便可使用。
從頭開始進(jìn)行前面描述的開發(fā)和調(diào)查將具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。能量采集入門套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡(jiǎn)化和加速使用能量采集技術(shù)的無線傳感器終端的開發(fā)(見圖6)。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對(duì)低功耗優(yōu)化的原始協(xié)議。希望替代ZigBee和藍(lán)牙等低功耗無線協(xié)議的設(shè)計(jì)人員只需將射頻器件更換為相應(yīng)的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個(gè)內(nèi)置Spansion ARM Cortex-M3內(nèi)核的FM3 MCU，因此用在ARM開發(fā)環(huán)境中時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種定制化特性。
圖6：能量采集入門套件包括對(duì)最低功耗優(yōu)化的原始無線協(xié)議和內(nèi)置Spansion ARM Cortex-M3內(nèi)核的FM3 MCU。
圖7：一款利用能量采集技術(shù)驅(qū)動(dòng)BLE信標(biāo)的入門套件，支持太陽能電池和壓電元件，以及更多的傳統(tǒng)選擇。
另一款入門套件利用能量采集技術(shù)驅(qū)動(dòng)BLE信標(biāo)(見圖7)，讓嵌入式設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行調(diào)研。太陽能電池或壓電元件可以連接起來作為發(fā)電元件，該套件還可以使用交流輸入、USB供電或天線連接的無線電源。使用能量采集電源IC的實(shí)際設(shè)備的開發(fā)工作，在許多地區(qū)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了進(jìn)展。在某些情況下，能量采集技術(shù)催生了無電池的無線傳感器終端。而在其他情況下，同時(shí)采用電池和能量采集技術(shù)，可以延長(zhǎng)電池的壽命。這樣，采用能量采集技術(shù)的無線傳感器終端獲得了加速發(fā)展。在未來的幾年中，擁有該技術(shù)的無線傳感器終端將隨處可見。為能量采集而設(shè)計(jì)的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
相關(guān)閱讀：
傳感器風(fēng)尚：西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電路突擊：優(yōu)化設(shè)計(jì)光電二極管傳感器電路
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)低功耗？
