能量收集應(yīng)用無處不在

　　背景與歷史

　　能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)超過 10 年了，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由環(huán)境能源供電的系統(tǒng)一直很笨重、復(fù)雜和昂貴。不過，有些市場已經(jīng)成功地采用了能量收集方法，如交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化市場。尤其是在樓宇自動化系統(tǒng)中，諸如占位傳感器、自動調(diào)溫器甚至光控開關(guān)等，以前安裝時通常使用的電源或控制配線，現(xiàn)在已經(jīng)不需要了，取而代之是，它們采用了局部能量收集系統(tǒng)。

　　能量收集系統(tǒng)的一個主要應(yīng)用是樓宇自動化系統(tǒng)中的無線傳感器。為方便說明，我們考慮一下美國能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產(chǎn)的頭號用戶，約占總能耗的 38%，緊隨其后的是交通運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域，各占總能耗的 28%。此外，建筑物可以進(jìn)一步分成商用建筑和民用建筑，在這 38% 的能耗中，分別分得 17% 和 21%。而民用建筑 21% 的能耗數(shù)字還可以進(jìn)一步劃分，其中取暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 約占民用建筑總能耗的 3/4。目前預(yù)計(jì)，從 2003 年到 2030 年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動化系統(tǒng)可以節(jié)省多達(dá) 30% 的能源 (數(shù)據(jù)來源：“全球能源、科技和氣候政策展望 (WETO)”，由歐盟多個研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合撰寫)。

　　類似地，一個采用能量收集方法的無線網(wǎng)絡(luò)可以將一棟大樓中任何數(shù)量的傳感器連接起來，以在非主要區(qū)域的大樓或房間中沒人時，調(diào)節(jié)該區(qū)域的溫度或關(guān)掉該區(qū)域的照明燈，從而降低 HVAC 和電力費(fèi)用。此外，能量收集電子線路的成本常常低于布設(shè)電源線的成本或更換電池所需的日常維護(hù)成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經(jīng)濟(jì)收益。

　　不過，如果每個節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源，那么很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就失去了優(yōu)勢。盡管電源管理技術(shù)確實(shí)在持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)使電子電路能在給定電源情況下工作更長時間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補(bǔ)充方法。因此，能量收集通過將局部環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成可用的電能，成為一種給無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法。環(huán)境能源包括光、溫差、振動波束、已發(fā)送 RF 信號或能通過換能器產(chǎn)生電荷的任何能源。這些能源在我們周圍到處都是，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器 (TEG)、面向振動的壓電組件、面向太陽光 (或室內(nèi)照明光) 的光伏電池等，可將這些能源轉(zhuǎn)換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產(chǎn)生的電能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用來自主地給電子組件和系統(tǒng)供電。

　　現(xiàn)在所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)都能以微瓦級平均功率工作，因此用非傳統(tǒng)電源給它們供電是可行的。這導(dǎo)致了能量收集的出現(xiàn)，在使用電池不方便、不現(xiàn)實(shí)、昂貴或危險(xiǎn)的系統(tǒng)中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補(bǔ)充或代替電池。用收集的能量供電，還可以不再需要導(dǎo)線來供電或傳送數(shù)據(jù)。此外，工業(yè)過程、太陽能電池板或內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能量也可以收集起來使用，否則就浪費(fèi)掉了。

　　能量收集應(yīng)用的問題和特性

　　一個典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 由 4 個方框組成 (參見圖 1)。它們是：1) 環(huán)境能源;2) 換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉(zhuǎn)換電路;3) 將該節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)實(shí)世界的檢測組件和計(jì)算組件 (由微處理器或微控制器組成，處理測量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲存到存儲器中);4) 由短程無線單元組成的通信組件，實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無線通信。

　　環(huán)境能源的例子包括：連接到 HVAC 管道等發(fā)熱源的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆;或者連接到諸如窗玻璃等機(jī)械振動源的壓電換能器。在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件 (常稱為換能器) 可將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在存在機(jī)械振動或壓力的情況下，壓電器件可用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

　　一旦電能產(chǎn)生出來，就可以由能量收集電路轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數(shù)或測量值，然后讀數(shù)或測量值可由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，以通過一個超低功率無線收發(fā)器傳送?！　?/p>

圖 1：一個典型的能量收集系統(tǒng)或無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要組成方框圖　　

 

　　有幾種因素影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集系統(tǒng)的功耗特性。表 1 概述了這些因素。

　　表 1：影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的因素