RF能量為遠程傳感器供電

能量采集技術(shù)隨著多年來的迅猛發(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、無線電波，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)鍵在于采集來源和采集元件的選擇，以及對功率預(yù)算的精密分析。相對于一般采集技術(shù)，將RF能量作為能量源的優(yōu)勢是，可以從周圍環(huán)境中獲取能量，或使用專用發(fā)射機進行控制。使用RF采集能量的設(shè)備不受場地限制，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能量可以從多種來源采集，如廣播電視臺和無線電臺、移動電話和基站，以及非授權(quán)頻段（包括915 MHz、868 MHz或2.4 GHz）中的發(fā)射機，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。它不受時間限制，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。它完全可控，這意味著能量可根據(jù)計劃或需求連續(xù)傳輸。可以利用可充電電池或超級電容存儲轉(zhuǎn)換的RF能量，供用電高峰期使用。

例如，Powercast的RF能量采集接收機可將接收到的RF信號轉(zhuǎn)換成直流電、調(diào)節(jié)輸出功率，并直接對次級能量存儲單元供電或充電。這些接收機還可以恢復(fù)隨功率信號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?shù)南到y(tǒng)設(shè)計，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)對此限制。其一是使用超低功耗元件，其二是實現(xiàn)功率平衡。

幸運的是，低功耗電子元件正獲得普遍的推廣應(yīng)用。這源于消費者對便攜式產(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、模擬元件、射頻技術(shù)以及通信協(xié)議的發(fā)展浪潮。單片機已發(fā)展至超低功耗級別。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)對功率預(yù)算有很大影響。這與兩個因素有關(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電流問題，目前可實現(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)因素通常是無線通信協(xié)議。

功率平衡

當使用通過能量采集產(chǎn)生的微小能量時，冗長的執(zhí)行時間和臃腫的無線協(xié)議將蠶食功耗預(yù)算?？刂茀f(xié)議執(zhí)行時間的關(guān)鍵是選擇可根據(jù)需求進行功能擴展的協(xié)議。去掉不必要的開銷和信號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現(xiàn)的專有協(xié)議，例如Microchip的MiWi協(xié)議棧。射頻傳輸時間已降低至5 ms，這可以大幅降低功耗。

通過使用以下兩種功耗管理技術(shù)還可進一步改善功耗：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RF采集器采集到足夠的能量時，傳感器才會啟用。這項技術(shù)的主要好處是器件在補充能量庫時的功耗為零。傳感器的執(zhí)行頻率取決于能量庫的充電速率，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，其運行頻率符合整體系統(tǒng)需求，則這種方式可以良好運作。RF采集器還可以使用接收的信號強度（RSSI）作為控制數(shù)據(jù)傳輸速率的機制，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，可使用單片機監(jiān)視充電周期的長度并估算充電狀態(tài)。通過估算可用電量，單片機可根據(jù)傳感器執(zhí)行的操作計算運行時間。這通過記錄傳感器工作時各部分消耗的電流來實現(xiàn)。例如，當測量傳感器輸出時，傳感器節(jié)點可能消耗100μA，而對測量數(shù)據(jù)進行射頻傳輸時消耗20 mA。單片機可借助此信息對每次完成這些功能之一時所消耗的電量進行估算。通過將電量和耗能進行比較，便可得出充電狀態(tài)。

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

Figure 3: Advantages of RF Energy Harvesting.
實際能量采集已見成效

隨著當今市場上不斷涌現(xiàn)為新產(chǎn)品設(shè)計提供平臺的成熟技術(shù)，RF采集已成為各種應(yīng)用的可行選項。通過仔細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，這不僅使RF采集非常實用，還可能推動RF采集成為主流。

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