能量采集器件取代物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池

　　發(fā)電元件

　　太陽能電池、壓電元件和熱電元件所產(chǎn)生的電能、輸出電壓和產(chǎn)生環(huán)境如圖3所示。每種元件產(chǎn)生的電能根據(jù)其尺寸和產(chǎn)生環(huán)境的不同而變化。將其集成到設備中時，需要全面了解以下情況：

　　● 可以獲得何種能源;

　　● 設備適合安裝何種尺寸的元件;

　　● 在設備中電能的產(chǎn)生與消耗之間會存在怎樣的平衡。

　　還需要選擇一個與發(fā)電元件相匹配的電源IC。特別是發(fā)電元件輸出的電壓/電流/輸出特性(AC或DC)將根據(jù)元件的不同而變化，因而有必要選擇一個能提供最佳效果的電源IC。

　　無線電源需求

　　與發(fā)電元件相同，無線傳感器網(wǎng)絡終端的無線通信方式的選擇，也必須與其傳輸目的相匹配。需考慮的主要方面包括通信距離、將要搭建的網(wǎng)絡類型、數(shù)據(jù)傳輸量、應用及功耗。在與能量采集技術結(jié)合使用時，關注的重點是低功耗，因此可選用的無線技術有EnOcean、ZigBee和藍牙低功耗(BLE)。

　　平衡產(chǎn)生與消耗

　　在使用能量采集技術時，需要考慮的一個重點是，努力達到電能產(chǎn)生與消耗的平衡。這是因為如果電能的產(chǎn)生小于消耗，設備將無法工作。盡管發(fā)電元件的發(fā)電特性在逐年提高，但還是很難為現(xiàn)有條件下的設備持續(xù)提供足夠的電力。解決該問題的一個方法是將產(chǎn)生的電力收集到電容中，并間歇性地執(zhí)行傳感器操作，從而平衡電力的產(chǎn)生和消耗。

　　為此，設計人員需要準確了解發(fā)電元件的發(fā)電環(huán)境、所產(chǎn)生的電能及其所需時間，以及設備的功耗和耗電時間。

　　能量采集開發(fā)工具

　　為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗，設計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電能采集時間和可用的電負荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準確估算出電能產(chǎn)生和消耗的情況下，該操作也需要反復試驗。此外，當電能產(chǎn)生和消耗的估算不準時，必須計算出每種情況下的最優(yōu)值，或與實際設備進行確認。Spansion公司開發(fā)出的網(wǎng)絡工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計算和研究能量采集技術，只需簡單的注冊便可使用。

　　從頭開始進行前面描述的開發(fā)和調(diào)查將具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。能量采集入門套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡化和加速使用能量采集技術的無線傳感器終端的開發(fā)。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對低功耗優(yōu)化的原始協(xié)議。希望替代ZigBee和藍牙等低功耗無線協(xié)議的設計人員只需將射頻器件更換為相應的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個內(nèi)置Spansion ARM Cortex-M3內(nèi)核的FM3 MCU，因此用在ARM開發(fā)環(huán)境中時，可以實現(xiàn)各種定制化特性。

　　另一款入門套件利用能量采集技術驅(qū)動BLE信標，讓嵌入式設計人員能夠進行調(diào)研。太陽能電池或壓電元件可以連接起來作為發(fā)電元件，該套件還可以使用交流輸入、USB供電或天線連接的無線電源。

　　使用能量采集電源IC的實際設備的開發(fā)工作，在許多地區(qū)和應用領域都取得了進展。在某些情況下，能量采集技術催生了無電池的無線傳感器終端。而在其他情況下，同時采用電池和能量采集技術，可以延長電池的壽命。這樣，采用能量采集技術的無線傳感器終端獲得了加速發(fā)展。在未來的幾年中，擁有該技術的無線傳感器終端將隨處可見。為能量采集而設計的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。