工业物联网中的能量收集诊断的重要性分析

来自工业设备的诊断数据是物联网的关键资源。远程监控设备状况使操作员能够识别出有问题的机器。这些数据甚至可以预测哪些系统出现故障，并将其替换为日常维护的一部分，而不是灾难性和代价高昂的故障。

借助物联网，可以在云中分析所有这些数据，提供警报和仪表板，以便在世界任何地方进行监控。但是，这个模型存在一个关键挑战，那就是实际获取数据。虽然现代系统可能具有内置诊断功能，但这些系统可能无法连接到云端，而旧设备可能在监控电子设备方面受到极大限制。这可能是由于缺乏传感器和通信链路以及可用功率。

能量收集为工业物联网的监控和诊断提供了关键能力。能够从环境中的能量为无线传感器节点供电允许这些节点在操作员可以从数据获得最佳值的点处附接到设备。

可以使用各种能量收集源来获取这些关键的诊断数据。一种特别优雅的方法是使用工业设备的振动来为无线节点供电并充当传感器。可以将压电传感器调谐到来自设备的振动的共振频率，并且这可以用于为无线传感器节点供电。针对能量收集进行优化的复杂电源管理器（如凌力尔特公司的LTC3588）可以捕获和修改压电晶体的电流，为无线收发器供电。 SparkFun Electronics的评估板（如图1所示）提供了连接到电源的LTC3588链路。四个输出电压，1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6 V，可通过器件选择引脚，连续输出电流高达100 mA;然而，输出电容器的大小可以设计成服务于更高的输出电流突发。设置为20 V的输入保护分流器可在给定量的输入电容下实现更大的能量存储。

图1：LTC3588电源管理评估板来自SparkFun Electronics

然而，使用振动能量为诊断节点供电还有另一个优点。通过监测晶体的电流，可以检测到设备振动的任何变化，从而检测机器的健康状况。这是一种复杂的转换算法，通常需要比能量收集系统更多的处理能力;但是通过物联网的无线链接，可以将数据上传到云中进行分析，跟踪振动曲线的变化。这些卡尔曼算法可以应用于云中的数据以进行预防性分析，可以监控设备的健康状况并预测故障。这使得设备可以作为日常维护的一部分进行更换，并避免潜在的昂贵停机。

压电能源不是获取基本诊断数据的唯一选择。太阳能电池是向无线传感器节点供电的常用方式，而不必担心电源或网络连接。今天的电池具有从工业应用中的室内照明提供电力的效率。这些需要电源管理，可以处理从微瓦（μW）到毫瓦（mW）的可变源。

S6AE101A是一种用于Cypress Semiconductor能量收集的电源管理IC（PMIC），可用于太阳能电池串联连接，输出功率控制电路，输出电容器存储电路和原电池的功率开关电路。它使用250 nA，启动功率仅为1.2μW。结果，在工业场所中在约100lx的低亮度环境下，甚至可以从紧凑型太阳能电池获得少量发电。

电路板使用内置开关控制将太阳能电池产生的电能存储到输出电容器，并在电容器电压处于预设的最大和最小范围内时为电源开关电路供电，以便为负载供电。如果太阳能电池产生的电力不足，则能够以与连接的一次电池中的太阳能电池相同的方式供应能量以用于辅助电力。此外，太阳能电池的输入引脚内置过压保护（OVP）功能，该IC使用太阳能电池的开路电压来防止过压状态。

类似地，热能发生器（TEG）设备可以通过温差提供功率，这种技术称为塞贝克效应。 TEG发生器使用硅技术减小尺寸。 Silicium的最新发电机厚度仅为1 mm，从几度的温差可以产生100μW至10 mW的功率。这允许带有无线收发器的小型传感器板由温度差驱动，以提供来自工业设备的诊断数据。

德州仪器（TI）的bq25570是一款电池管理器件，可处理来自压电，太阳能或TEG能量收集设备的低至100 mV的可变电压。 bq25570调节其输入电压，使其在将存储元件充电至设定电压点时不会折叠其输入源，并具有集成降压调节器，可提供充电器输出的稳压输出。电源良好输出指示充电器的存储元件何时达到用户设定电压电平。

图2：德州仪器（TI）的bq25570评估板

这在评估板上展示（图2）要实现的不同来源，以查看哪个源最适合应用程序。通过最小的跳线更改，评估模块还可以配置为超低功耗升压转换器，调节低阻抗源的输出电压，同时提供降压稳压器的第二输出电压，以驱动其他设备，如无线收发器。

可编程输入电压调节通过跳线或电阻设置，充电器输出电压最大值通过电阻设置为4.2 V，充电器最大输出电压设置为1.8 V.有多个跳线，连接器和测试点可用，以便电力子系统可以与能量收集源匹配。只要VBAT上的存储元件电压（如图3所示）高于内部编程的2.0 V欠压，4.2 V输出就会施加到存储元件。集成降压转换器在VOUT时提供高达1.8 V和100 mA的电压。当VSTOR上升至3.0 V时，VBAT_OK指示器切换为高电平，当VSTOR下降至2.8 V时，VBAT_OK指示器切换为低电平。

图3：示意图bq25570评估板显示来自高阻抗能量收集源的不同功率输出的电阻器设置。

使用此类设备设计高阻抗源（如太阳能电池）与AC/DC转换器或大型电池系统有很大不同。这要求将任何时间单位的系统负载与每个相同时间单位的预期负载进行比较。通常没有足够的实时时间来获取电力以在完全运行时运行系统（例如，在太阳能电池板的夜晚），因此收集并存储电力。

这意味着能量收集源必须与诸如可充电锂电池或电容器的存储元件匹配，以便在无法收集能量时它可用于为无线收发器供电。然后，收发器处理来自无线节点中的传感器的数据，监测温度，振动或湿度。电源状态（例如LTC3588，S6AE101A或bq25570上的引脚的过压或欠压）也可以连接到收发器，以突出显示电源的任何问题。这给出了存储元件健康状况的指示，并允许传感器节点在失败之前作为日常维护的一部分进行更换。

结论

能量收集源可以为无线传感器节点提供电源，以监控物联网中的工业设备。这使节点从电源线上释放，使其可以放置在正确的位置，以提供监控机器运行状况所需的诊断数据。

有一系列技术可用于从工业环境中获取能量，从机器的振动和工厂灯光的能量到温差的热能。将这些源与电源管理器件匹配，该器件针对产生的非常小的可变电流进行了优化，允许存储元件保持电源。然后，这可以用于为无线收发器供电以将诊断传感器数据传递到云，其中卡尔曼算法可以用于预测系统的健康状况。这种工业物联网的实施可以通过允许日常维护在失败之前更换设备（包括无线节点）来节省成本。