物聯(lián)網(wǎng)上的物體和設備當中包括傳感器配備的無(wú)線(xiàn)終端。無(wú)線(xiàn)傳感器終端連接上網(wǎng)后，將會(huì )采集其周?chē)沫h(huán)境信息。

這些終端使用了測量溫度、濕度、光照、運動(dòng)、壓力、應力、失真、位置、流速和氣體等多種類(lèi)型的傳感器。放置的傳感器終端數量越多，所采集到的數據就越多元化，精確度也越高。此類(lèi)信息通常被稱(chēng)為大數據，將有助于實(shí)現過(guò)去難以企及的設備控制、監測和預報功能，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(huì )產(chǎn)生了重大影響，這要歸功于半導體器件的演變和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步，因為元器件級的變革將推動(dòng)設備朝著(zhù)無(wú)線(xiàn)、更小巧和更高效的方向發(fā)展。裝上電池后，無(wú)需電線(xiàn)就可以將設備放置在各種不同的地方。

電池問(wèn)題

如上所述，物聯(lián)網(wǎng)與機對機的一個(gè)重要需求是，能夠在各種各樣的地方放置無(wú)線(xiàn)傳感器終端收集數據。但是其中有一個(gè)很大的問(wèn)題：配電線(xiàn)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(méi)有人會(huì )認為這是個(gè)問(wèn)題，但當數量達到一萬(wàn)、一百萬(wàn)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用。這是人們關(guān)注無(wú)線(xiàn)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(yáng)能電池、壓電元件和熱電元件等發(fā)電元件將光、振動(dòng)和熱能轉化為電能，然后有效地加以利用。

得益于半導體在提高發(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)現在可以應用于現實(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(wú)線(xiàn)傳感器終端的普及問(wèn)題。

能量采集終端的內部結構

無(wú)線(xiàn)傳感器終端由感知周?chē)h(huán)境的傳感器、處理采集數據并控制系統的微控制器(MCU)和進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的無(wú)線(xiàn)芯片組成。與發(fā)電元件相匹配的電源IC取代了過(guò)去的鈕扣電池和干電池(見(jiàn)圖1)。

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升壓轉換器MB39C831。

選擇發(fā)電元件時(shí)必須首先考慮，從周?chē)h(huán)境中采集的能量，其類(lèi)型是振動(dòng)、光還是熱能。最常用的類(lèi)型是太陽(yáng)能、壓電和熱電。用于發(fā)電元件的電源IC能夠無(wú)損、高效地從該元件收集電能，并向后級IC提供穩定的電能，這也同樣重要(見(jiàn)圖2)。
[page]
發(fā)電元件

太陽(yáng)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)生的電能根據其尺寸和產(chǎn)生環(huán)境的不同而變化。將其集成到設備中時(shí)，需要全面了解以下情況：

● 可以獲得何種能源；
● 設備適合安裝何種尺寸的元件；
● 在設備中電能的產(chǎn)生與消耗之間會(huì )存在怎樣的平衡。

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(wú)線(xiàn)電源需求

與發(fā)電元件相同，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )終端的無(wú)線(xiàn)通信方式的選擇，也必須與其傳輸目的相匹配(見(jiàn)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(lèi)型、數據傳輸量、應用及功耗。在與能量采集技術(shù)結合使用時(shí)，關(guān)注的重點(diǎn)是低功耗，因此可選用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)有EnOcean、ZigBee和藍牙低功耗(BLE)。

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，設備將無(wú)法工作。盡管發(fā)電元件的發(fā)電特性在逐年提高，但還是很難為現有條件下的設備持續提供足夠的電力。解決該問(wèn)題的一個(gè)方法是將產(chǎn)生的電力收集到電容中，并間歇性地執行傳感器操作，從而平衡電力的產(chǎn)生和消耗。

為此，設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(shí)間，以及設備的功耗和耗電時(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)。

[page]  
能量采集開(kāi)發(fā)工具

為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗，設計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電能采集時(shí)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，該操作也需要反復試驗。此外，當電能產(chǎn)生和消耗的估算不準時(shí)，必須計算出每種情況下的最優(yōu)值，或與實(shí)際設備進(jìn)行確認。Spansion公司開(kāi)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(jiǎn)單的注冊便可使用。

從頭開(kāi)始進(jìn)行前面描述的開(kāi)發(fā)和調查將具有相當的挑戰性。能量采集入門(mén)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(wú)線(xiàn)傳感器終端的開(kāi)發(fā)(見(jiàn)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(wú)線(xiàn)協(xié)議的設計人員只需將射頻器件更換為相應的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個(gè)內置Spansion ARM Cortex-M3內核的FM3 MCU，因此用在A(yíng)RM開(kāi)發(fā)環(huán)境中時(shí)，可以實(shí)現各種定制化特性。

另一款入門(mén)套件利用能量采集技術(shù)驅動(dòng)BLE信標(見(jiàn)圖7)，讓嵌入式設計人員能夠進(jìn)行調研。太陽(yáng)能電池或壓電元件可以連接起來(lái)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(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)電源。

使用能量采集電源IC的實(shí)際設備的開(kāi)發(fā)工作，在許多地區和應用領(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(wú)電池的無(wú)線(xiàn)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(cháng)電池的壽命。這樣，采用能量采集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器終端獲得了加速發(fā)展。在未來(lái)的幾年中，擁有該技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器終端將隨處可見(jiàn)。為能量采集而設計的電源管理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)溫濕度控制系統的設計
電路突擊：優(yōu)化設計光電二極管傳感器電路
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )射頻前端系統架構如何實(shí)現低功耗？