能量收集從滿足電源管理需求開始

能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)超過10年了，然而在現(xiàn)實環(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輸和工業(yè)領(lǐng)域，各占總能耗的28%。此外，建筑物可以進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，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成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經(jīng)濟收益。

不過，如果每個節(jié)點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”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、昂貴或危險的系統(tǒng)中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補充或代替電池。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)燃機產(chǎn)生的能量也可以收集起來使用，否則就浪費掉了。

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（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)點連接到現(xiàn)實世界的檢測組件和計算組件（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，實現(xiàn)與相鄰節(jié)點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。而在存在機械振動或壓力的情況下，壓電器件可用來將機械能轉(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)換器進行處理，以通過一個超低功率無線收發(fā)器傳送。

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

有幾種因素影響無線傳感器節(jié)點能量收集系統(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)點功耗的因素。

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預(yù)測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器由于其無限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲存器（一個電池或一個電容器）可產(chǎn)生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器給WSN供電。當然，從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度而言這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進一步增加，因為他們現(xiàn)在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環(huán)境能量源的情況下提供補償，應(yīng)在輔助儲存器中存儲多少能量?”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：