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(yáng)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(shè)備中時(shí)，需要全面了解以下情況：

　　● 可以獲得何種能源;

　　● 設(shè)備適合安裝何種尺寸的元件;

　　● 在設(shè)備中電能的產(chǎn)生與消耗之間會(huì)存在怎樣的平衡。

　　還需要選擇一個(gè)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(gè)能提供最佳效果的電源IC。

　　無(wú)線電源需求

　　與發(fā)電元件相同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的無(wú)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(luò)類(lèi)型、數(shù)據(jù)傳輸量、應(yīng)用及功耗。在與能量采集技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，關(guān)注的重點(diǎn)是低功耗，因此可選用的無(wú)線技術(shù)有EnOcean、ZigBee和藍(lán)牙低功耗(BLE)。

　　平衡產(chǎn)生與消耗

　　在使用能量采集技術(shù)時(shí)，需要考慮的一個(gè)重點(diǎn)是，努力達(dá)到電能產(chǎn)生與消耗的平衡。這是因?yàn)槿绻娔艿漠a(chǎn)生小于消耗，設(shè)備將無(wú)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(shè)備持續(xù)提供足夠的電力。解決該問(wèn)題的一個(gè)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(shè)計(jì)人員需要準(zhǔn)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(shí)間，以及設(shè)備的功耗和耗電時(shí)間。

　　能量采集開(kāi)發(fā)工具

　　為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗，設(shè)計(jì)人員需要計(jì)算電能采集元件(電容器)的電能采集時(shí)間和可用的電負(fù)荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準(zhǔn)確估算出電能產(chǎn)生和消耗的情況下，該操作也需要反復(fù)試驗(yàn)。此外，當(dāng)電能產(chǎn)生和消耗的估算不準(zhǔn)時(shí)，必須計(jì)算出每種情況下的最優(yōu)值，或與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)。Spansion公司開(kāi)發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計(jì)算和研究能量采集技術(shù)，只需簡(jiǎn)單的注冊(cè)便可使用。

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

　　另一款入門(mén)套件利用能量采集技術(shù)驅(qū)動(dòng)BLE信標(biāo)，讓嵌入式設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行調(diào)研。太陽(yáng)能電池或壓電元件可以連接起來(lái)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(wú)線電源。

　　使用能量采集電源IC的實(shí)際設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作，在許多地區(qū)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了進(jìn)展。在某些情況下，能量采集技術(shù)催生了無(wú)電池的無(wú)線傳感器終端。而在其他情況下，同時(shí)采用電池和能量采集技術(shù)，可以延長(zhǎng)電池的壽命。這樣，采用能量采集技術(shù)的無(wú)線傳感器終端獲得了加速發(fā)展。在未來(lái)的幾年中，擁有該技術(shù)的無(wú)線傳感器終端將隨處可見(jiàn)。為能量采集而設(shè)計(jì)的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。