采用能量收集技术为物联网提供动力

本文着眼于收集环境能源以为物联网提供动力传感器节点的不同方式。它着眼于从振动到热能的不同技术，以及将能量提供给传感器和无线节点以将数据链接回互联网的方式，以及可帮助开发此类系统的评估套件，如EnOcean，Advanced Linear等公司设备，Cymbet和CUI。

Power是物联网的重要商品。更低的功耗意味着更小的尺寸，因此传感器节点和网关可以放置在更方便的位置，更小的电池成本更低，冷却更少。

拥有数百万个传感器节点，更换电池的时间和成本是巨大的，任何功率降低都会带来延长更换周期的好处。这是推出连接在一起创建物联网的无线传感器节点的关键限制之一。

能量收集技术可以通过补充可充电存储设备甚至延长电池更换之间的时间将它们全部消除，只是用它们来平滑电子设备的供电。

几个领域的发展推动了能源采集的进程。传感器，微控制器和无线收发器的功耗在过去几年中急剧下降，因为更高效的硅技术已经可用，更高效的无线协议，如具有更低占空比的超低功耗ZigBee已经得到更广泛的应用。同时，某些能源采集技术（如太阳能电池）的效率大大提高，成本降低，使其可用于物联网等大批量应用。能量收集越来越多地渗透到这些应用中的关键因素是使用新一代功率控制器，例如Advanced Linear Devices的EH4205升压低压增压器模块，它可以处理来自能源的低电流并且管理波动以为电子设备提供可靠的功率流。

图1：Advanced Linear Devices的EH300评估套件使用新一代电源管理芯片来平滑电源能量收集来源的波动。

从环境中获取能量有许多不同的方法，有些方法在某些环境中更合适，例如工业厂房而不是家庭。这导致了对能量收集技术，微控制器和无线链路以及能量转换器的一系列权衡。能量收集的优势在传感器节点处最为明显，因为它允许节点放置的灵活性并最小化维护操作。这些可单独寻址的节点通常反馈到无线网关，该网关整合所需的数据，性能和本地操作，并将数据反馈到云中，以及为传感器网络提供安全性。然后，它将来自世界任何地方的传感器的数据提供给中央管理系统，该系统本身可以从世界任何地方访问。

无线传感器节点的功率包络是关键。在这个范围内，微控制器必须从睡眠状态唤醒，读取传感器，将其馈送到RF前端，然后再次关闭之前将数据传输到网络。它还必须定期唤醒以检查网络中的消息和诊断检查。这些元素都以不同的速率吸取功率，这些功率必须由电源管理系统处理，能量采集源的类型可以决定如何处理这些操作，特别是如果目的是消除所有电池并且仅使用暂时存储电源的电容器。

太阳能电源当然是一个明显的选择，它可以在家庭和工厂环境中工作，即使在人造灯下也是如此。利用Cymbet的EnerChip能量收集评估套件，可以存储和管理太阳能电池的电力，为传感器节点提供所需的电流。这种源的管理是物联网节点设计的关键要素，因为当传感器读取数据并且无线链路将数据中继回网关时，功率要求达到峰值。这些脉冲放电电流对电池提出了特殊要求。重复输送超过推荐的电池负载电流的脉冲电流会缩短其使用寿命，这会对传感器节点的可靠性产生显着影响。在发射和接收模式期间，无线传感器系统中的脉冲电流几十毫安是常见的，并且电池的内部阻抗经常导致内部电压降，从而阻止电池实际提供所需的电力。

图2：EnerChip评估套件中的电源管理必须处理能量收集源的各种电源问题。

使用太阳能电池为电池充电，即使是人造光，能够提供峰值功率要求的是一种越来越流行的方法。处理较低电流的能力允许使用较小的太阳能电池来减小IoT传感器节点的整体尺寸。这种组合允许套件为无线节点供电长达十年。

图4：使用带有EnerChip评估套件的太阳能电池为物联网中的传感器节点供电电气和射频功率是未能真正用于为物联网传感器网络供电的关键机会之一。存在大量电气和RF噪声，特别是在工业环境中。为了捕获这种能量，Enocean率先采集射频能量，为其自身的低功耗无线链路和各种传感器（如工业应用中的湿度监测器）供电。 RF捕获使用调谐到主要RF频率的线圈 - 通常为2.4 GHz的ZigBee和Wi-Fi，或900 MHz用于其他未经许可的频段 - 对电池进行涓流充电。虽然这种技术更多地被用作无线充电，而光源和线圈紧密结合在一起，但像埃因霍温霍尔斯特研究中心那样的研究人员正在研究如何利用环境射频能量为设备供电。

在家庭或工厂中可以为物联网分配热能。这利用温度差来从Peltier效应器件（例如来自CUI的CP60）产生功率。虽然这些器件通常用于通过获取电流来提供固态冷却，但情况恰恰相反 - 使用温差也会产生电流。这些较小的Peltier效应器件可以安装在温差区域 - 无论是在工厂车间的温暖区域还是在家中的散热器旁边 - 并为传感器和无线链路供电。

振动能量也可以分接在使用压电设备的工业环境中，例如Mide Technology的V25W。通过增加小重量，可以调整到一台设备的共振频率，然后可以产生小而稳定的电源。使用电源管理和系统存储，例如EH300，可以使用其他传感器（如温度或湿度）或甚至单独的振动传感器为节点供电。然后，这可以提供设备问题的早期警告，并允许先发制人的维护，以便在设备发生故障之前解决问题。

图4：来自Mide Technology的V25W可以调谐到谐振用于物联网的无线传感器节点的设备频率。

结论

物联网为无线传感器节点带来了一系列独特的挑战，推动了各种能源的采用 - 收获实施。没有一种解决方案可以为这些节点供电，但是新一代灵活的电源管理设备正在实现从太阳能，热能到振动甚至环境RF的各种来源。加上超低功耗微控制器和低占空比，采用先进硅技术的低功耗无线收发器现在可以在不需要更换任何电池十年的情况下为传感器节点供电。在全球部署了数百万甚至数十亿的此类节点，这可以节省数十亿美元的运营费用，并使物联网更具成本效益。