【導讀】在當今環(huán)保的地球友好心態(tài)中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經(jīng)存在了十多年;然而，在現實(shí)環(huán)境中實(shí)施環(huán)境能源供電系統一直很麻煩、復雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場(chǎng)示例包括交通基礎設施、無(wú)線(xiàn)醫療設備、胎壓傳感和樓宇自動(dòng)化。具體來(lái)說(shuō)，在樓宇自動(dòng)化系統的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開(kāi)關(guān)之類(lèi)的東西已經(jīng)消除了通常與其安裝相關(guān)的電源或控制布線(xiàn)，而是使用局部能量收集系統。
能量收集背景
在當今環(huán)保的地球友好心態(tài)中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經(jīng)存在了十多年;然而，在現實(shí)環(huán)境中實(shí)施環(huán)境能源供電系統一直很麻煩、復雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場(chǎng)示例包括交通基礎設施、無(wú)線(xiàn)醫療設備、胎壓傳感和樓宇自動(dòng)化。具體來(lái)說(shuō)，在樓宇自動(dòng)化系統的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開(kāi)關(guān)之類(lèi)的東西已經(jīng)消除了通常與其安裝相關(guān)的電源或控制布線(xiàn)，而是使用局部能量收集系統。
建造節能的智能建筑，包括商業(yè)和住宅結構，是確保節能結構不會(huì )大量使用化石燃料的傳統電源的先決條件。
就商業(yè)建筑而言，使它們變得智能對于安置在其中的組織至關(guān)重要，因為擁有節能和精簡(jiǎn)的建筑有助于降低能源成本，同時(shí)也為其中的工人提供生產(chǎn)環(huán)境。然而，達到這一點(diǎn)并非沒(méi)有其自身的一系列缺點(diǎn)。例如，這些建筑物將需要能夠提供必要反饋的基礎設施，以實(shí)現供暖和制冷系統的高效運行、照明控制和有效的空間利用。這很可能需要使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）作為監測和控制環(huán)境的方法，并將增加他們對替代電源的依賴(lài)，以有效管理和控制它們。
智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)趨勢
智能建筑將不斷改變人們每天開(kāi)展活動(dòng)的方式。此外，除了節約能源外，智能建筑還將有助于節省資金。一些物聯(lián)網(wǎng)智能建筑趨勢已經(jīng)形成，以實(shí)現這種轉變。
一個(gè)很好的例子是預測性維護將如何利用傳感器（IoT）和其他硬件設備來(lái)獲取有關(guān)商業(yè)建筑及其中所有設備狀態(tài)的報告。這種反饋將使我們能夠在需要時(shí)及時(shí)有效地安排任何必要的維護時(shí)間。預防性維護計劃中通常出現的不可預見(jiàn)的問(wèn)題可以通過(guò)使用預測性維護方法來(lái)克服。
此外，工人的生產(chǎn)力可能會(huì )受到空氣質(zhì)量的不利影響。該領(lǐng)域的行業(yè)研究表明，與更傳統的建筑物相比，當工人在室內環(huán)境質(zhì)量良好的建筑物中工作時(shí)，他們的工作效率提高了 10%。同樣，物聯(lián)網(wǎng)設備可用于測量和檢查空氣質(zhì)量，以及使用作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )一部分的各種傳感器中的二氧化碳水平。這些設備連接到建筑基礎設施的所有區域，從而能夠保持環(huán)境和其中每個(gè)人的健康和生產(chǎn)力。
預計未來(lái)的另一個(gè)新趨勢是在智能建筑中使用物聯(lián)網(wǎng)支持的應用程序。一個(gè)很好的例子是使用熱成像技術(shù)，使設施管理人員能夠檢查他們的設備是否超出其工作溫度范圍。這可以很容易地檢測到，從而允許在設備中斷其正常運行模式之前進(jìn)行維護。例如，物聯(lián)網(wǎng)將改變商業(yè)設施管理人員跟蹤信息以及測量和收集數據的方式;這包括以前難以到達的難以進(jìn)入的區域。在建筑物的各個(gè)部分安裝傳感器將跟蹤他們過(guò)去從未訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的所有信息。通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)互連系統，設施管理人員現在可以使用這些系統訪(fǎng)問(wèn)所有相關(guān)信息。
物聯(lián)網(wǎng)將使商業(yè)業(yè)主擁有能源充足的建筑物成為可能。這影響了建筑物的設計，并使它們具有環(huán)保和資源效率。此外，這些智能樓宇管理系統可以從任何地方進(jìn)行遠程管理，從而可以用傳感器取代過(guò)時(shí)的重型建筑設備，這些傳感器可以使用振動(dòng)和溫度波動(dòng)等指標進(jìn)行控制。顯然，這節省了大量的能源和金錢(qián)，同時(shí)也降低了維護成本。
最后，物聯(lián)網(wǎng)對建筑物最重要的影響之一是能源效率。傳感器網(wǎng)絡(luò )有助于提供信息，幫助管理人員更有效地控制其資產(chǎn)，同時(shí)減少環(huán)境中的有害廢物。示例包括：
? 使用傳感器進(jìn)行溫度控制
? 使用執行器進(jìn)行暖通空調控制
? 復雜的應用，例如為建筑物提供完整的能源自動(dòng)化
? 考慮天氣預報以節省實(shí)時(shí)能源成本
? 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)：能量收集的關(guān)鍵應用
能量收集系統的一個(gè)關(guān)鍵應用是樓宇自動(dòng)化系統中的無(wú)線(xiàn)電傳感器。在美國，建筑物是每年能源生產(chǎn)的頭號用戶(hù)，緊隨其后的是運輸和工業(yè)部門(mén)。
利用能量收集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以將建筑物中任意數量的傳感器連接在一起，以在建筑物或房間無(wú)人居住時(shí)調節溫度或關(guān)閉非必要區域的燈來(lái)降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設備的成本通常低于運行電源線(xiàn)或更換電池所需的日常維護，因此采用收集功率技術(shù)顯然可以獲得經(jīng)濟收益。
然而，如果每個(gè)節點(diǎn)都需要自己的外部電源，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的許多優(yōu)勢就會(huì )消失。盡管正在進(jìn)行的電源管理發(fā)展使電子電路能夠在給定電源下運行更長(cháng)時(shí)間，但這有其局限性，而功率能量收集提供了一種補充方法。因此，能量收集是一種通過(guò)將本地環(huán)境能量轉換為可用電能來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電的方法。環(huán)境能量源包括光、熱差、機械振動(dòng)、傳輸的射頻信號或任何可以通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的源。這些能源就在我們身邊，它們可以通過(guò)使用合適的傳感器轉換為電能，例如用于溫差的熱電發(fā)電機（TEG），用于振動(dòng)的壓電元件，用于陽(yáng)光（或室內照明）的光伏電池，甚至來(lái)自水分的電流能。這些所謂的“免費”能源可用于自主為電子元件和系統供電。
由于完全無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)現在能夠以微瓦級的平均功率水平運行，因此從非傳統來(lái)源為其供電是可行的。這導致了能量收集，在電池使用不方便、不切實(shí)際、昂貴或危險的系統中提供充電、補充或更換電池的電力。它還可以消除對電線(xiàn)傳輸電力或傳輸數據的需求。
典型的能量收集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)（WSN）由四個(gè)模塊組成，如圖1所示。這些是：
? 環(huán)境能源
? 傳感器元件和電源轉換電路，用于為下游電子設備供電
? 將節點(diǎn)連接到物理世界的傳感組件，以及由微處理器或微控制器組成的計算組件，用于處理測量數據并將其存儲在存儲器中
? 由短程無(wú)線(xiàn)電組成的通信組件，用于與相鄰節點(diǎn)和外部世界進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。
環(huán)境能源的例子包括連接到發(fā)熱源（如HVAC管道）的TEG（或熱電堆），或連接到振動(dòng)機械源（如窗玻璃）的壓電換能器。在熱源的情況下，緊湊的熱電裝置可以將微小的溫差轉換為電能。在存在機械振動(dòng)或應變的情況下，可以使用壓電裝置將其轉換為電能。
一旦產(chǎn)生電能，就可以通過(guò)能量收集電路將其轉換并修改為合適的形式，為下游電子設備供電。因此，微處理器可以喚醒傳感器進(jìn)行讀數或測量，然后可以通過(guò)模數轉換器（ADC）進(jìn)行操作，以便通過(guò)超低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行傳輸。
圖1.典型能量收集系統的主要模塊。
當然，能量收集源提供的能量取決于能量源運行的時(shí)間。因此，比較清除源的主要指標是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常受到低、可變和不可預測的可用功率水平的影響，因此經(jīng)常使用與收集器和輔助電源存儲接口的混合結構。收割機由于其無(wú)限的能量供應和功率不足，是系統的能源。輔助電源存儲，無(wú)論是電池還是電容器，產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲的能量更少，在需要時(shí)供電，但定期從收割機接收電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能量從中獲取電力的情況下，必須使用輔助電源為WSN供電。
成功設計完全獨立的無(wú)線(xiàn)傳感器系統需要現成的節能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器在低能耗環(huán)境中消耗的電能最少。這種能量收集器模塊的現有實(shí)現如圖1所示。這些通常由低性能的分立配置組成，通常包含 30 個(gè)或更多組件。這種設計具有低轉換效率和高靜態(tài)電流。這些缺陷會(huì )導致終端系統的性能下降?？紤]一下，由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出有多低，系統必須首先克服自身運行所需的電流水平，然后才能向輸出提供任何多余的功率。
能量收集示例
圖 2 示出了基于 LTC3109 的能量收集系統示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 轉換器和電源管理器，能夠從極低的輸入電壓源（如 TEG、熱電堆甚至小型太陽(yáng)能電池）收集和管理剩余能量。使用自極性拓撲使其能夠從低至30 mV的輸入源工作，無(wú)論極性如何。
圖2.LTC3109的典型應用原理圖。
圖 2 中的電路使用兩個(gè)緊湊的升壓變壓器來(lái)升壓 LTC3109 的輸入電壓源，從而為無(wú)線(xiàn)檢測和數據采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它可以收集微小的溫差并產(chǎn)生系統電力，而不是使用傳統的電池電源。
每個(gè)變壓器的次級繞組上產(chǎn)生的交流電壓利用一個(gè)外部充電泵電容器和 LTC3109 內部的整流器進(jìn)行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容器提供電荷，然后向其他輸出提供電荷。內部2.2 V LDO穩壓器可支持低功耗處理器或其他低功耗IC。
由于模擬開(kāi)關(guān)模式電源設計專(zhuān)業(yè)知識在全球范圍內供不應求，因此很難設計出用于綠色建筑的有效能量收集系統。主要障礙之一是與遠程無(wú)線(xiàn)傳感相關(guān)的電源管理方面。然而，能量收集組件可以從幾乎任何熱源中提取能量，從而使系統設計人員能夠使用能量收集的電源。這不僅減少了化石燃料的使用，還有助于為當代和后代創(chuàng )造一個(gè)更環(huán)保的建筑環(huán)境。
（作者：Tony Armstrong）
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