本文著眼于收集環(huán)境能源以為物聯(lián)網(wǎng)提供動力傳感器節(jié)點的不同方式。它著眼于從振動到熱能的不同技術(shù)，以及將能量提供給傳感器和無線節(jié)點以將數(shù)據(jù)鏈接回互聯(lián)網(wǎng)的方式，以及可幫助開發(fā)此類系統(tǒng)的評估套件，如EnOcean，Advanced Linear等公司設(shè)備，Cymbet和CUI。

Power是物聯(lián)網(wǎng)的重要商品。更低的功耗意味著更小的尺寸，因此傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)可以放置在更方便的位置，更小的電池成本更低，冷卻更少。

擁有數(shù)百萬個傳感器節(jié)點，更換電池的時間和成本是巨大的，任何功率降低都會帶來延長更換周期的好處。這是推出連接在一起創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器節(jié)點的關(guān)鍵限制之一。

能量收集技術(shù)可以通過補(bǔ)充可充電存儲設(shè)備甚至延長電池更換之間的時間將它們?nèi)肯皇怯盟鼈儊砥交?a target="_blank">電子設(shè)備的供電。

幾個領(lǐng)域的發(fā)展推動了能源采集的進(jìn)程。傳感器，微控制器和無線收發(fā)器的功耗在過去幾年中急劇下降，因為更高效的硅技術(shù)已經(jīng)可用，更高效的無線協(xié)議，如具有更低占空比的超低功耗ZigBee已經(jīng)得到更廣泛的應(yīng)用。同時，某些能源采集技術(shù)（如太陽能電池）的效率大大提高，成本降低，使其可用于物聯(lián)網(wǎng)等大批量應(yīng)用。能量收集越來越多地滲透到這些應(yīng)用中的關(guān)鍵因素是使用新一代功率控制器，例如Advanced Linear Devices的EH4205升壓低壓增壓器模塊，它可以處理來自能源的低電流并且管理波動以為電子設(shè)備提供可靠的功率流。

圖1：Advanced Linear Devices的EH300評估套件使用新一代電源管理芯片來平滑電源能量收集來源的波動。

從環(huán)境中獲取能量有許多不同的方法，有些方法在某些環(huán)境中更合適，例如工業(yè)廠房而不是家庭。這導(dǎo)致了對能量收集技術(shù)，微控制器和無線鏈路以及能量轉(zhuǎn)換器的一系列權(quán)衡。能量收集的優(yōu)勢在傳感器節(jié)點處最為明顯，因為它允許節(jié)點放置的靈活性并最小化維護(hù)操作。這些可單獨尋址的節(jié)點通常反饋到無線網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)整合所需的數(shù)據(jù)，性能和本地操作，并將數(shù)據(jù)反饋到云中，以及為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供安全性。然后，它將來自世界任何地方的傳感器的數(shù)據(jù)提供給中央管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身可以從世界任何地方訪問。

無線傳感器節(jié)點的功率包絡(luò)是關(guān)鍵。在這個范圍內(nèi)，微控制器必須從睡眠狀態(tài)喚醒，讀取傳感器，將其饋送到RF前端，然后再次關(guān)閉之前將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)。它還必須定期喚醒以檢查網(wǎng)絡(luò)中的消息和診斷檢查。這些元素都以不同的速率吸取功率，這些功率必須由電源管理系統(tǒng)處理，能量采集源的類型可以決定如何處理這些操作，特別是如果目的是消除所有電池并且僅使用暫時存儲電源的電容器。

太陽能電源當(dāng)然是一個明顯的選擇，它可以在家庭和工廠環(huán)境中工作，即使在人造燈下也是如此。利用Cymbet的EnerChip能量收集評估套件，可以存儲和管理太陽能電池的電力，為傳感器節(jié)點提供所需的電流。這種源的管理是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)計的關(guān)鍵要素，因為當(dāng)傳感器讀取數(shù)據(jù)并且無線鏈路將數(shù)據(jù)中繼回網(wǎng)關(guān)時，功率要求達(dá)到峰值。這些脈沖放電電流對電池提出了特殊要求。重復(fù)輸送超過推薦的電池負(fù)載電流的脈沖電流會縮短其使用壽命，這會對傳感器節(jié)點的可靠性產(chǎn)生顯著影響。在發(fā)射和接收模式期間，無線傳感器系統(tǒng)中的脈沖電流幾十毫安是常見的，并且電池的內(nèi)部阻抗經(jīng)常導(dǎo)致內(nèi)部電壓降，從而阻止電池實際提供所需的電力。

圖2：EnerChip評估套件中的電源管理必須處理能量收集源的各種電源問題。

使用太陽能電池為電池充電，即使是人造光，能夠提供峰值功率要求的是一種越來越流行的方法。處理較低電流的能力允許使用較小的太陽能電池來減小IoT傳感器節(jié)點的整體尺寸。這種組合允許套件為無線節(jié)點供電長達(dá)十年。

圖4：使用帶有EnerChip評估套件的太陽能電池為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點供電電氣和射頻功率是未能真正用于為物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)供電的關(guān)鍵機(jī)會之一。存在大量電氣和RF噪聲，特別是在工業(yè)環(huán)境中。為了捕獲這種能量，Enocean率先采集射頻能量，為其自身的低功耗無線鏈路和各種傳感器（如工業(yè)應(yīng)用中的濕度監(jiān)測器）供電。 RF捕獲使用調(diào)諧到主要RF頻率的線圈 - 通常為2.4 GHz的ZigBee和Wi-Fi，或900 MHz用于其他未經(jīng)許可的頻段 - 對電池進(jìn)行涓流充電。雖然這種技術(shù)更多地被用作無線充電，而光源和線圈緊密結(jié)合在一起，但像埃因霍溫霍爾斯特研究中心那樣的研究人員正在研究如何利用環(huán)境射頻能量為設(shè)備供電。

在家庭或工廠中可以為物聯(lián)網(wǎng)分配熱能。這利用溫度差來從Peltier效應(yīng)器件（例如來自CUI的CP60）產(chǎn)生功率。雖然這些器件通常用于通過獲取電流來提供固態(tài)冷卻，但情況恰恰相反 - 使用溫差也會產(chǎn)生電流。這些較小的Peltier效應(yīng)器件可以安裝在溫差區(qū)域 - 無論是在工廠車間的溫暖區(qū)域還是在家中的散熱器旁邊 - 并為傳感器和無線鏈路供電。

振動能量也可以分接在使用壓電設(shè)備的工業(yè)環(huán)境中，例如Mide Technology的V25W。通過增加小重量，可以調(diào)整到一臺設(shè)備的共振頻率，然后可以產(chǎn)生小而穩(wěn)定的電源。使用電源管理和系統(tǒng)存儲，例如EH300，可以使用其他傳感器（如溫度或濕度）或甚至單獨的振動傳感器為節(jié)點供電。然后，這可以提供設(shè)備問題的早期警告，并允許先發(fā)制人的維護(hù)，以便在設(shè)備發(fā)生故障之前解決問題。

圖4：來自Mide Technology的V25W可以調(diào)諧到諧振用于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器節(jié)點的設(shè)備頻率。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)為無線傳感器節(jié)點帶來了一系列獨特的挑戰(zhàn)，推動了各種能源的采用 - 收獲實施。沒有一種解決方案可以為這些節(jié)點供電，但是新一代靈活的電源管理設(shè)備正在實現(xiàn)從太陽能，熱能到振動甚至環(huán)境RF的各種來源。加上超低功耗微控制器和低占空比，采用先進(jìn)硅技術(shù)的低功耗無線收發(fā)器現(xiàn)在可以在不需要更換任何電池十年的情況下為傳感器節(jié)點供電。在全球部署了數(shù)百萬甚至數(shù)十億的此類節(jié)點，這可以節(jié)省數(shù)十億美元的運營費用，并使物聯(lián)網(wǎng)更具成本效益。