RF能量為遠(yuǎn)程傳感器供電

能量采集技術(shù)隨著多年來(lái)的迅猛發(fā)展，已能借助多種技術(shù)，將許多日常能源（如光、風(fēng)、溫度、振動(dòng)、無(wú)線電波，甚至PH）巧妙地轉(zhuǎn)化為可用能量。而今擺在人們面前的挑戰(zhàn)是如何轉(zhuǎn)換經(jīng)由這些技術(shù)產(chǎn)生的微小能量并使其發(fā)揮出實(shí)用功能，如可靠地為環(huán)境傳感器供電。

解決方案的關(guān)鍵在于采集來(lái)源和采集元件的選擇，以及對(duì)功率預(yù)算的精密分析。相對(duì)于一般采集技術(shù)，將RF能量作為能量源的優(yōu)勢(shì)是，可以從周?chē)h(huán)境中獲取能量，或使用專用發(fā)射機(jī)進(jìn)行控制。使用RF采集能量的設(shè)備不受場(chǎng)地限制，幾乎可工作在任何環(huán)境下。

各種能量采集方法的功率密度
RF作為能量源

RF能量可以從多種來(lái)源采集，如廣播電視臺(tái)和無(wú)線電臺(tái)、移動(dòng)電話和基站，以及非授權(quán)頻段（包括915 MHz、868 MHz或2.4 GHz）中的發(fā)射機(jī)，這使得RF采集在全世界范圍內(nèi)都具有商業(yè)可行性。RF較其他能量源具有許多優(yōu)勢(shì)。它不受時(shí)間限制，不需要暴露于高溫或有風(fēng)的環(huán)境，可以在傳輸源的范圍內(nèi)自由移動(dòng)。它完全可控，這意味著能量可根據(jù)計(jì)劃或需求連續(xù)傳輸?？梢岳每沙潆婋姵鼗虺?jí)電容存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的RF能量，供用電高峰期使用。

例如，Powercast的RF能量采集接收機(jī)可將接收到的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電、調(diào)節(jié)輸出功率，并直接對(duì)次級(jí)能量存儲(chǔ)單元供電或充電。這些接收機(jī)還可以恢復(fù)隨功率信號(hào)一起廣播的低速率數(shù)據(jù)。

低功率元件選擇

方便可靠的能量源只是解決方案的一部分。另一部分是適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在最大限度地利用所獲得的微小能量。有兩種方式可應(yīng)對(duì)此限制。其一是使用超低功耗元件，其二是實(shí)現(xiàn)功率平衡。

幸運(yùn)的是，低功耗電子元件正獲得普遍的推廣應(yīng)用。這源于消費(fèi)者對(duì)便攜式產(chǎn)品的需求，從而掀起新一輪的可完美支持RF采集的低功耗單片機(jī)、模擬元件、射頻技術(shù)以及通信協(xié)議的發(fā)展浪潮。單片機(jī)已發(fā)展至超低功耗級(jí)別。以Microchip采用超低功耗（XLP）技術(shù)的PIC24F器件為例，其休眠電流僅為20 nA，而執(zhí)行代碼時(shí)的電流可低至8 μA。

要組成一套完整的環(huán)境傳感器，還需要模擬元件和射頻技術(shù)。射頻技術(shù)對(duì)功率預(yù)算有很大影響。這與兩個(gè)因素有關(guān)，即使用的協(xié)議和發(fā)射/接收（Tx/Rx）電流。最新的射頻技術(shù)已著手解決Tx/Rx電流問(wèn)題，目前可實(shí)現(xiàn)低至3mA的接收電流。這必然有助于降低功耗，但產(chǎn)生影響的主導(dǎo)因素通常是無(wú)線通信協(xié)議。

功率平衡

當(dāng)使用通過(guò)能量采集產(chǎn)生的微小能量時(shí)，冗長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間和臃腫的無(wú)線協(xié)議將蠶食功耗預(yù)算?？刂茀f(xié)議執(zhí)行時(shí)間的關(guān)鍵是選擇可根據(jù)需求進(jìn)行功能擴(kuò)展的協(xié)議。去掉不必要的開(kāi)銷(xiāo)和信號(hào)交換可顯著降低功耗。目前有多家公司可提供支持最低限度實(shí)現(xiàn)的專有協(xié)議，例如Microchip的MiWi協(xié)議棧。射頻傳輸時(shí)間已降低至5 ms，這可以大幅降低功耗。

通過(guò)使用以下兩種功耗管理技術(shù)還可進(jìn)一步改善功耗：基于充電的執(zhí)行和充電狀態(tài)監(jiān)視。

如采用基于充電執(zhí)行的技術(shù)，可完全去掉傳感器系統(tǒng)的電源。僅當(dāng)RF采集器采集到足夠的能量時(shí)，傳感器才會(huì)啟用。這項(xiàng)技術(shù)的主要好處是器件在補(bǔ)充能量庫(kù)時(shí)的功耗為零。傳感器的執(zhí)行頻率取決于能量庫(kù)的充電速率，而充電速率受RF能量源的距離、接收天線和障礙物（如墻體）的影響。如果傳感器的安裝位置適當(dāng)，其運(yùn)行頻率符合整體系統(tǒng)需求，則這種方式可以良好運(yùn)作。RF采集器還可以使用接收的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）作為控制數(shù)據(jù)傳輸速率的機(jī)制，以避免不必要的數(shù)據(jù)包涌入網(wǎng)絡(luò)。圖2顯示了基于充電的系統(tǒng)的示例。

Figure 2: Packet frequency vs. Distance from RF source.
如果RF采集器為電池充電，可使用單片機(jī)監(jiān)視充電周期的長(zhǎng)度并估算充電狀態(tài)。通過(guò)估算可用電量，單片機(jī)可根據(jù)傳感器執(zhí)行的操作計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。這通過(guò)記錄傳感器工作時(shí)各部分消耗的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)測(cè)量傳感器輸出時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)可能消耗100μA，而對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻傳輸時(shí)消耗20 mA。單片機(jī)可借助此信息對(duì)每次完成這些功能之一時(shí)所消耗的電量進(jìn)行估算。通過(guò)將電量和耗能進(jìn)行比較，便可得出充電狀態(tài)。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)充電狀態(tài)逐漸降低傳感器的傳輸頻率。系統(tǒng)甚至可以請(qǐng)求幫助，通過(guò)向RF能量源發(fā)送消息來(lái)請(qǐng)求更多功率。

Figure 3: Advantages of RF Energy Harvesting.
實(shí)際能量采集已見(jiàn)成效

隨著當(dāng)今市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供平臺(tái)的成熟技術(shù)，RF采集已成為各種應(yīng)用的可行選項(xiàng)。通過(guò)仔細(xì)選擇元件和功率平衡，此技術(shù)可以替代電池為大批傳感器供電。RF采集具有可控制能量源以及能工作在任何環(huán)境下等諸多優(yōu)勢(shì)，這不僅使RF采集非常實(shí)用，還可能推動(dòng)RF采集成為主流。

無(wú)論是鑒于環(huán)境法規(guī)、社會(huì)責(zé)任政策，還是單單出于經(jīng)濟(jì)考慮，能量采集始終是被關(guān)注的焦點(diǎn)。如果想避免太陽(yáng)能、風(fēng)能和熱能的不確定變數(shù)，只有一個(gè)成熟可靠的選擇，那就是RF采集。