“無中生有” 的免費(fèi)能源

我相信，大多數(shù)人都記得英國搖滾樂隊(duì)“Dire Straight”的單曲“Money for Nothing (金錢無用)”，不過有多少人曾經(jīng)想到過，有一天“金錢無用”也能適用于能量收集! 免費(fèi)能源如同“無中生有”，所以在能量收集領(lǐng)域，“金錢無用”了。確實(shí)，有些人也許會(huì)認(rèn)為，這么說有點(diǎn)兒夸張，不過事實(shí)仍然是，能量收集就是重新使用某種能源，而這種能源是另一種活動(dòng)的副產(chǎn)品，就是用這種能源給自主工作的無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 供電。對于不熟悉無線傳感器節(jié)點(diǎn)的人來說，可以這樣理解，無線傳感器節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是一種自含式系統(tǒng)，其中包括某種換能器，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，換能器后面通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以利用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

如果要采用一個(gè)或多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，那么有一個(gè)問題需要好好考慮就是“要讓這個(gè)或這些無線傳感器節(jié)點(diǎn)工作，需要多少功率?”從概念上看，這個(gè)問題似乎相當(dāng)簡單，不過現(xiàn)實(shí)情況是，有幾個(gè)因素導(dǎo)致這個(gè)問題有點(diǎn)兒難以回答。例如，多長時(shí)間需要獲取一次讀數(shù)?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大? 需要發(fā)送多遠(yuǎn)? 問這些問題的原因是，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器消耗的能量大約占整個(gè)系統(tǒng)的 50%。有幾種因素會(huì)影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集系統(tǒng)的功耗特性，這些因素如表 1 所述。

表 1：影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的因素

當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于運(yùn)作狀態(tài)的時(shí)間長度。因此，比較環(huán)境采集能量源的主要度量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常遇到的是低、易變和不可預(yù)知的可用功率等級，因而采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。能量收集器因其不受限制的能量供應(yīng)和功率方面的欠缺而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電能儲(chǔ)存器 (一個(gè)電池或一個(gè)電容器) 可產(chǎn)生較高的功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，而在除此之外的其他情況下則定期從收集器接收電荷。因此，在沒有環(huán)境能量可供采集的情況下，就必須采用輔助電能儲(chǔ)存器來給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來看，這將使設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度進(jìn)一步增加，原因是他們現(xiàn)在不得不考慮這樣一個(gè)問題，即“為了補(bǔ)償環(huán)境能量源的缺失，輔助電能儲(chǔ)存器中必須存儲(chǔ)多少能量呢?”他們需要儲(chǔ)存多少能量，取決于幾個(gè)因素，這包括：

(1) 環(huán)境能源不存在的時(shí)間長度

(2) 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的占空比 (即必須進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送的頻度)

(3) 輔助電能儲(chǔ)存器 (電容器、超級電容器或電池) 的尺寸和類型

(4) 環(huán)境能量是否充足? 既可充當(dāng)主能源，又有充足的剩余能量給輔助電能儲(chǔ)存器充電，以在某些沒有環(huán)境能源可用的特定時(shí)段供電

最新和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品 (例如：振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏產(chǎn)品) 在典型工作條件下能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這一量級的功率看似用途有限，但多年來能量收集組件的運(yùn)行意味著，在能量提供和每能量單位的成本上，能量收集產(chǎn)品的技術(shù)與長壽命的主電池大致上是可相比。此外，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般在電量耗盡后能再充電，而主電池供電的系統(tǒng)是無法做到這一點(diǎn)。

環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的 RF 信號(hào)，或者其他任何能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。表 2 說明了不同能源可產(chǎn)生的能量大小。

表 2：能源及其能產(chǎn)生的能量大小

要成功地設(shè)計(jì)一個(gè)完整的自含式無線傳感器系統(tǒng)，要求可方便地買到的節(jié)能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器要靠環(huán)境提供的很低能量工作，因此要最大限度地降低所消耗的電能。幸運(yùn)的是，低成本、低功耗的傳感器和微控制器已經(jīng)上市幾年了，不過，直到最近，商用超低功率收發(fā)器才普及起來。

由于模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長在全球都短缺，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖 1 所示有效的能量收集系統(tǒng)一直很難。主要問題存在于與遠(yuǎn)程無線檢測有關(guān)的電源管理方面。不過，幸運(yùn)的是，凌力爾特等公司已經(jīng)推出了種類繁多的能量收集 IC，這些 IC 為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)管理的設(shè)計(jì)提供了方便。這些器件可以從幾乎任何光源、熱源或機(jī)械振動(dòng)源抽取能量。此外，這些器件提供全面的功能且在設(shè)計(jì)中易于使用，所以極大地簡化了在能量收集鏈中難以應(yīng)對的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這些器件的推出對無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)師來說是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些器件具有高集成度，包括了電源管理控制功能，并使用現(xiàn)成有售的外部組件，從而成為最小、最簡單和最易于使用的解決方案。

最后，盡管可以從無數(shù)的環(huán)境能源免費(fèi)獲得功率，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)規(guī)劃師必須從一開始就優(yōu)先考慮其電源管理系統(tǒng)的具體需求，以確保高效地完成設(shè)計(jì)，并成功地進(jìn)行長期部署。