如果你的物聯(lián)網(wǎng)項目不是機器人或機器工具，那么它可能是（或包含有）遠程傳感器節點(diǎn)。它將會(huì )使用小型化電池為自身供電。理想情況下，物聯(lián)網(wǎng)項目中采用能量采集技術(shù)為的是完全去掉電池。更有可能的情況是，所采集的能源是用來(lái)補充電池輸出，從而使電池使用時(shí)間更長(cháng)。因此，能量采集的發(fā)展有兩個(gè)焦點(diǎn)：一方面，要著(zhù)眼能量轉換本身（該技術(shù)尚未成熟，但不久以后會(huì )涌現大量應用）；另一方面，業(yè)界正在研究超低功耗傳感器節點(diǎn)器件，nA級的功耗對電池壽命的影響極小。

 

具有諷刺意味的是，一些遠程傳感器節點(diǎn)被稱(chēng)為“能量采集器”（在某些產(chǎn)品資料中稱(chēng)為“EH”）。它們使用只需很小電流就可工作的器件——如μA/MHz級功耗的微處理器。EH開(kāi)發(fā)套件的發(fā)展主題不是將環(huán)境能量轉換為可用直流電壓的技術(shù)，而是傳感器、信號調理IC、微功耗控制器和通信端口等超低功耗系統器件，從而使電池顯得可有可無(wú)。

 

事實(shí)上，盡管有若干不斷演進(jìn)的技術(shù)（例如可以利用光伏面板進(jìn)行大規模能量轉換），能量采集技術(shù)實(shí)際上還處于起步階段。目前，屋頂太陽(yáng)能電池板可以轉換足夠的能量來(lái)為家庭或辦公室供電。但大規模儲能仍是挑戰。電容式存儲系統（一些與翻斗車(chē)一樣大）可提供長(cháng)期可用儲能，但對于嵌入式移動(dòng)系統來(lái)說(shuō)，這類(lèi)系統基本不具便攜性。

 

能量采集換能器的尺寸仍然是能量采集技術(shù)的關(guān)鍵。大功率系統依賴(lài)于更大的能量轉換器：太陽(yáng)能電池可提供100mW/cm2功率——1cm2就足以為袖珍計算器供電。但是通過(guò)其他能量采集技術(shù)采集到的能量卻達不到這個(gè)指標。熱梯度能量采集器可提供10mW/cm2；振動(dòng)（壓電）能量采集器可提供100μW/cm2。射頻（RF）能量采集器由于有太多的能量可以收集，似乎很受歡迎，但它才產(chǎn)生0.1µW（100pW）/cm2。

 

 

環(huán)境能量轉換器的效率雖然不是特別高，但仍受其工作環(huán)境的制約。舉個(gè)荒謬的例子，盡管可以使用染料升華技術(shù)（DSSC）調節太陽(yáng)能轉換器對室內照明波長(cháng)（例如由熒光管發(fā)射的約600nm波長(cháng)）的靈敏度，你也不會(huì )從鎖在室內衣柜中的太陽(yáng)能電池采集到很多能量。

 

壓電器件（異質(zhì)金屬“夾層”）可以通過(guò)機械形變產(chǎn)生可用電壓，但與傳感器的面積和形變相比，采集的電能仍然非常小。你可以用鞋內的壓電器件產(chǎn)生的能量為你的手機電池充電，但這需要一周時(shí)間。

 

熱梯度是一種不同類(lèi)型的“夾層”，聲稱(chēng)具有高轉換效率和高輸出。它利用的是塞貝克效應，且半導體夾在熱板和冷板之間。雖然支持者聲稱(chēng)具有高轉換效率，但是采集的電量是熱冷板（它們的尺寸和冷熱金屬之間溫差）的函數。溫差越大，可用的電能就越大。但是，這種能量轉換方式只有在溫差大的地方（像在加拿大北極地帶有一塊熱板一樣），效果才最佳。

 

壓電式能量采集器的應用包括運動(dòng)器件和振動(dòng)監視器。無(wú)線(xiàn)HVAC傳感器和移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤在各制造商的產(chǎn)品資料中被確定為可行的傳感器；壓電器件似乎更適合于檢測機械力和形變，而不是氣態(tài)條件（如溫度和濕度）。

 

 

智能樓宇用能量采集器主要是HVAC傳感器，用于監視會(huì )議室占用（紅外線(xiàn)功能）以及空氣溫度、濕度和CO2含量。其他智能樓宇傳感器用于監視照明（包括窗燈、房間燈和遮陽(yáng)控制）。安全傳感器用于檢查房間非法占用和侵擾。電力公司監控可執行抄表和電能使用錯峰控制。EH系統提供“平臺即服務(wù)”（PaaS）云服務(wù)交互，可實(shí)現藍牙和其他網(wǎng)絡(luò )通信。

 

郵箱功能（如設備服務(wù)標簽）與微控制器配合使用。對于數據記錄應用，EH模塊可支持冷凍食品運輸的冷鏈時(shí)間和溫度監測。醫療應用包括智能貼片，其中傳感器用于監測血糖、體溫、濕度、pH值和氧氣含量。（德州儀器的網(wǎng)站有氣體檢測器參考設計）

 

壓電器件的一個(gè)交叉應用可能是汽車(chē)輪胎壓力傳感器，它報告氣體產(chǎn)生的機械力。壓電運動(dòng)檢測器應用的一個(gè)有趣的新趨勢是將其整合到織物中，這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。

 

圖1：壓電運動(dòng)檢測器應用的一個(gè)有趣的新趨勢是將其整合到織物中，這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。（來(lái)源：博爾頓大學(xué)）

 

 

在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，模擬半導體制造商將其研發(fā)工作重點(diǎn)放在超低功耗半導體，而不是太陽(yáng)能電池或特定調諧振動(dòng)傳感器?？纱┐髟O備、遠程傳感器節點(diǎn)（包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )）、移動(dòng)傳感器（如氣體檢測器）和運動(dòng)檢測器需要小型（甚至微型）能量轉換器，而不是使用像鐵路機車(chē)那樣大的能量采集器。

 

圖2：零功耗傳感器幾乎能夠從任何環(huán)境中收集能量。能源包括光、振動(dòng)、流動(dòng)、運動(dòng)、壓力、磁場(chǎng)和RF。（來(lái)源：Cymbet公司）

 

因此，各半導體制造商在其數據表和白皮書(shū)上發(fā)布的公告都強調超低功耗。像ADI公司LTC3588、美信公司MAX17710或德州儀器公司bq25504這樣的信號調理IC即使在多種混合負載情況下也強調超低流耗。例如，LTC3588的資料表明，盡管其高阻抗輸入可以面向各種能源，但它對壓電輸入進(jìn)行了優(yōu)化。LTC3588本質(zhì)上是一款靜態(tài)電流為450nA的低功耗AC-DC轉換器。其輸入范圍為2.7V至20V，輸出可低至1.8V，壓差不超過(guò)400mV。

 

美信聲稱(chēng)其MAX17710能管理穩壓較差的輸入源，輸出功率范圍為1μW至100mW。該器件可以從多種能量轉換源提供超過(guò)20mA的電流。TI的BQ25504同樣本質(zhì)上是一款超低功耗高效率的DC-DC，可從低輸入源（例如80mV）提供連續的能量采集。其靜態(tài)電流小于330nA。

 

 

MCU功耗的規范也類(lèi)似關(guān)注超低功耗應用。技術(shù)上，功耗是流耗（μA或nA）與生成電壓（通常為mV）的乘積。在能量采集器的接收端，這個(gè)數字可能是μV。

 

IoT常見(jiàn)的設計目標是盡可能減小啟動(dòng)節點(diǎn)用器件的體積和流耗。系統模塊（除電源管理器件之外）包括傳感器、傳感器信號調理電路、微控制器（μA級流耗）和用以通知數據差異的通信器件（如低功耗藍牙，BLE）。

 

ARM Cortex M的各個(gè)版本都夸耀其看似極微的功耗，例如Atmel公司32位ARM Cortex M0+在活動(dòng)模式下的功耗為35μA/MHz。該處理器在睡眠模式下總共消耗200nA。美國科技博客ARS Technica上的博文“New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades”指出，如果我們談?wù)摮志玫碾姵貕勖?，那對這款低功耗微控制器來(lái)說(shuō)，就不僅僅是幾年，而是幾十年。

 

另一個(gè)例子，賽普拉斯半導體無(wú)線(xiàn)傳感器用能量采集PMIC具有長(cháng)時(shí)間間隔中斷定時(shí)器模式，可通過(guò)利用長(cháng)時(shí)間間隔待機來(lái)延長(cháng)電池壽命。它與低功耗微控制器（如賽普拉斯的PSoC）配合工作。

 

MSP432是德州儀器版的ARM Cortex M，具有95µA/MHz的工作電流和850nA的待機電流。

 

當然，TI在一份微控制器功耗教程中提出建議：實(shí)際的處理器功耗反映的是幾種不同工作情況的總和。工作情況包括活動(dòng)模式和睡眠模式。在嵌入式系統應用中，微控制器在大部分時(shí)間可能會(huì )休眠。因此，與數MHz時(shí)鐘下的響應相比，睡眠模式功耗可能是更有用的指標。

 

因此，延長(cháng)電池壽命似乎完全與休眠和活動(dòng)所用時(shí)間的比例相關(guān)。TI建議，微控制器的功耗“不是一個(gè)數字”。

 

本文轉載至電子技術(shù)設計。