能量采集器件取代物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池

近年來，物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 與機對機( M2M ) 市場和技術(shù)引起了人們廣泛的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)與機對機的概念不僅是指個人電腦和手機通過互聯(lián)網(wǎng)相連，而且包括所有數(shù)十億個“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)實現(xiàn)的無線互聯(lián)。伴隨這數(shù)十億個物體而來的，還有必須購買、維護和處置的數(shù)十億塊電池。為此，能量采集技術(shù)提供了一個直截了當?shù)慕鉀Q方案，使用清潔能源輕松地為這些設(shè)備遠程充電。

物聯(lián)網(wǎng)上的物體和設(shè)備當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，將會采集其周圍的環(huán)境信息。

這些終端使用了測量溫度、濕度、光照、運動、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)，將有助于實現(xiàn)過去難以企及的設(shè)備控制、監(jiān)測和預(yù)報功能，以及提供全新的云服務(wù)和業(yè)務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)與機對機的發(fā)展將對社會產(chǎn)生了重大影響，這要歸功于半導(dǎo)體器件的演變和無線技術(shù)的進步，因為元器件級的變革將推動設(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)與機對機的一個重要需求是，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間。只使用一、二十塊電池時沒有人會認為這是個問題，但當數(shù)量達到一萬、一百萬或一億時，就不僅要考慮電池的成本，還要考慮巨額的維修費用。這是人們關(guān)注無線傳感器終端普及的一個重要原因。

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)。

選擇發(fā)電元件時必須首先考慮，從周圍環(huán)境中采集的能量，其類型是振動、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IC提供穩(wěn)定的電能，這也同樣重要(見圖2)。

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，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)生與消耗之間會存在怎樣的平衡。

還需要選擇一個與發(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，關(guān)注的重點是低功耗，因此可選用的無線技術(shù)有EnOcean、ZigBee和藍牙低功耗(BLE)。[!--empirenews.page--]

平衡產(chǎn)生與消耗

在使用能量采集技術(shù)時，需要考慮的一個重點是，努力達到電能產(chǎn)生與消耗的平衡。這是因為如果電能的產(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)計人員需要準確了解發(fā)電元件的發(fā)電環(huán)境、所產(chǎn)生的電能及其所需時間，以及設(shè)備的功耗和耗電時間。圖5演示了使用發(fā)電時間、電能采集時間和耗電時間，解決電力產(chǎn)生、采集和消耗平衡的要點。

能量采集開發(fā)工具

為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗，設(shè)計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電能采集時間和可用的電負荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準確估算出電能產(chǎn)生和消耗的情況下，該操作也需要反復(fù)試驗。此外，當電能產(chǎn)生和消耗的估算不準時，必須計算出每種情況下的最優(yōu)值，或與實際設(shè)備進行確認。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算和研究能量采集技術(shù)，只需簡單的注冊便可使用。

從頭開始進行前面描述的開發(fā)和調(diào)查將具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。能量采集入門套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡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低功耗優(yōu)化的原始協(xié)議。希望替代ZigBee和藍牙等低功耗無線協(xié)議的設(shè)計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，可以實現(xiàn)各種定制化特性。

另一款入門套件利用能量采集技術(shù)驅(qū)動BLE信標(見圖7)，讓嵌入式設(shè)計人員能夠進行調(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，同時采用電池和能量采集技術(shù)，可以延長電池的壽命。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)計的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。