能量采集器件取代物联网传感器电池

    近年来，物联网(IoT) 与机对机( M2M ) 市场和技术引起了人们广泛的关注。物联网与机对机的概念不仅是指个人电脑和手机通过互联网相连，而且包括所有数十亿个“物体”和设备为提高其使用效率而通过互联网或局域网实现的无线互联。伴随这数十亿个物体而来的，还有必须购买、维护和处置的数十亿块电池。为此，能量采集技术提供了一个直截了当的解决方案，使用清洁能源轻松地为这些设备远程充电。

    物联网上的物体和设备当中包括传感器配备的无线终端。无线传感器终端连接上网后，将会采集其周围的环境信息。

    这些终端使用了测量温度、湿度、光照、运动、压力、应力、失真、位置、流速和气体等多种类型的传感器。放置的传感器终端数量越多，所采集到的数据就越多元化，精确度也越高。此类信息通常被称为大数据，将有助于实现过去难以企及的设备控制、监测和预报功能，以及提供全新的云服务和业务。

    物联网与机对机的发展将对社会产生了重大影响，这要归功于半导体器件的演变和无线技术的进步，因为元器件级的变革将推动设备朝着无线、更小巧和更高效的方向发展。装上电池后，无需电线就可以将设备放置在各种不同的地方。

    电池问题

    如上所述，物联网与机对机的一个重要需求是，能够在各种各样的地方放置无线传感器终端收集数据。但是其中有一个很大的问题：配电线路的安装，或是使用电池情况下的电池寿命或电池更换时间。只使用一、二十块电池时没有人会认为这是个问题，但当数量达到一万、一百万或一亿时，就不仅要考虑电池的成本，还要考虑巨额的维修费用。这是人们关注无线传感器终端普及的一个重要原因。

    能量采集技术可以提供一种解决方案。它使用太阳能电池、压电元件和热电元件等发电元件将光、振动和热能转化为电能，然后有效地加以利用。

    得益于半导体在提高发电元件的性能与降低有源器件的耗电量之间找到了平衡，这些技术现在可以应用于现实生产。这是人们纷纷关注于这一关键技术的原因，它可以解决作为物联网组成部分的无线传感器终端的普及问题。

    能量采集终端的内部结构

    无线传感器终端由感知周围环境的传感器、处理采集数据并控制系统的微控制器(MCU)和进行无线通信的无线芯片组成。与发电元件相匹配的电源IC取代了过去的钮扣电池和干电池(见图1)。

    选择发电元件时必须首先考虑，从周围环境中采集的能量，其类型是振动、光还是热能。最常用的类型是太阳能、压电和热电。用于发电元件的电源IC能够无损、高效地从该元件收集电能，并向后级IC提供稳定的电能，这也同样重要(见图2)。

    发电元件

    太阳能电池、压电元件和热电元件所产生的电能、输出电压和产生环境如图3所示。每种元件产生的电能根据其尺寸和产生环境的不同而变化。将其集成到设备中时，需要全面了解以下情况：

    ● 可以获得何种能源；

    ● 设备适合安装何种尺寸的元件；

    ● 在设备中电能的产生与消耗之间会存在怎样的平衡。

    还需要选择一个与发电元件相匹配的电源IC。特别是发电元件输出的电压/电流/输出特性(AC或DC)将根据元件的不同而变化，因而有必要选择一个能提供最佳效果的电源IC。

    无线电源需求

    与发电元件相同，无线传感器网络终端的无线通信方式的选择，也必须与其传输目的相匹配(见图4)。需考虑的主要方面包括通信距离、将要搭建的网络类型、数据传输量、应用及功耗。在与能量采集技术结合使用时，关注的重点是低功耗，因此可选用的无线技术有EnOcean、ZigBee和蓝牙低功耗(BLE)。

    平衡产生与消耗

    在使用能量采集技术时，需要考虑的一个重点是，努力达到电能产生与消耗的平衡。这是因为如果电能的产生小于消耗，设备将无法工作。尽管发电元件的发电特性在逐年提高，但还是很难为现有条件下的设备持续提供足够的电力。解决该问题的一个方法是将产生的电力收集到电容中，并间歇性地执行传感器操作，从而平衡电力的产生和消耗。

    为此，设计人员需要准确了解发电元件的发电环境、所产生的电能及其所需时间，以及设备的功耗和耗电时间。图5演示了使用发电时间、电能采集时间和耗电时间，解决电力产生、采集和消耗平衡的要点。

    能量采集开发工具

    为了平衡电能的产生与消耗，设计人员需要计算电能采集元件(电容器)的电能采集时间和可用的电负荷等因素，从而确定电容器的最佳尺寸。即使在可以准确估算出电能产生和消耗的情况下，该操作也需要反复试验。此外，当电能产生和消耗的估算不准时，必须计算出每种情况下的最优值，或与实际设备进行确认。Spansion公司开发出的网络工具Easy DesignSim可以让任何人轻松地计算和研究能量采集技术，只需简单的注册便可使用。

    从头开始进行前面描述的开发和调查将具有相当的挑战性。能量采集入门套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以简化和加速使用能量采集技术的无线传感器终端的开发(见图6)。工作在2.4GHz频段的射频器件包含有对低功耗优化的原始协议。希望替代ZigBee和蓝牙等低功耗无线协议的设计人员只需将射频器件更换为相应的芯片或模块即可。该微控制器(MCU)是一个内置Spansion ARM Cortex-M3内核的FM3 MCU，因此用在ARM开发环境中时，可以实现各种定制化特性。

    另一款入门套件利用能量采集技术驱动BLE信标(见图7)，让嵌入式设计人员能够进行调研。太阳能电池或压电元件可以连接起来作为发电元件，该套件还可以使用交流输入、USB供电或天线连接的无线电源。

    使用能量采集电源IC的实际设备的开发工作，在许多地区和应用领域都取得了进展。在某些情况下，能量采集技术催生了无电池的无线传感器终端。而在其他情况下，同时采用电池和能量采集技术，可以延长电池的寿命。这样，采用能量采集技术的无线传感器终端获得了加速发展。在未来的几年中，拥有该技术的无线传感器终端将随处可见。为能量采集而设计的电源管理IC以及低功耗MCU将不断推动物联网的发展。