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能量收集有助于改進(jìn)邊緣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
能量收集有助于改進(jìn)邊緣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
如果我們想提高生活質(zhì)量并確保長(zhǎng)期可持續(xù)性，智能生活是一個(gè)至關(guān)重要的方面。這就是為什么企業(yè)正在轉(zhuǎn)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型并且物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目正在取得進(jìn)展。最流行的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)是傳感器，或者不太常見的執(zhí)行器，它們以無線方式連接到聚合設(shè)備或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。在智慧城市、智慧工業(yè)或智慧農(nóng)業(yè)等環(huán)境中，它們通常會(huì)大量部署并覆蓋較大的地理區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，包括更換用完的電池，是一個(gè)昂貴的過程，而放電的電池代表著一個(gè)非常大的環(huán)境問題。在端點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程中，工程師可以通過提供足夠的能量來延長(zhǎng)設(shè)備的預(yù)期壽命，從而避免更換電池，這可能需要一些時(shí)間。由于尺寸限制，紐扣電池外形通常是首選。如果存儲(chǔ)的能量不能滿足系統(tǒng)的要求，用更大的電池替換電池可能是一個(gè)很好的解決方案。另一種選擇是重新設(shè)計(jì)電路，以將系統(tǒng)總能耗降低到可用單元存儲(chǔ)以下。一種或兩種策略，或兩者的組合，可能無法達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。微瓦或毫瓦范圍內(nèi)的微能量收集可以提供有用且可能無限的從周圍環(huán)境收集的電能供應(yīng)。根據(jù)應(yīng)用和可用的環(huán)境能量，這可以補(bǔ)充或替代原電池。電路可能直接由捕獲和轉(zhuǎn)換的能量供電。另一方面，在需要之前將能量存儲(chǔ)在緩沖器中可能是更好的選擇。在任何情況下，都需要能夠滿足應(yīng)用需求的適當(dāng)環(huán)境能源。
在任何情況下，都需要合適的環(huán)境能源，能夠滿足應(yīng)用的需要。在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的各個(gè)子系統(tǒng)中，無線電的能源需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成提供信息可能是有益的。
無線電子系統(tǒng)功耗
選擇最合適的無線技術(shù)以盡可能低的功耗提供所需的數(shù)據(jù)速率和通信范圍至關(guān)重要。
如果傳感器的位置距離聚合器或網(wǎng)關(guān)（例如連接到 Internet 或通過本地電信交換機(jī)的集線器或路由器）只有很短的距離，則藍(lán)牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術(shù)可能是合適的，具體取決于所需的數(shù)據(jù)速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點(diǎn)分布在地理上很大的區(qū)域，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。圖 1 比較了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的主要技術(shù)的功耗、數(shù)據(jù)速率、典型最大范圍和相對(duì)成本。
圖 1：流行的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的比較。
范圍、數(shù)據(jù)速率和功耗也可以用數(shù)字表示，以幫助直接比較。如圖 2 所示，無線子系統(tǒng)的功耗可低至 150μW 至 400mW。
圖 2：數(shù)據(jù)速率、帶寬和功耗之間的比較。
要充分了解對(duì)系統(tǒng)整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業(yè)儀表等應(yīng)用涉及每天或每隔幾天發(fā)送幾次小數(shù)據(jù)包。其他設(shè)備（例如安全攝像頭）可能需要頻繁或連續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的不同，可以通過在傳輸之前在系統(tǒng)內(nèi)本地過濾數(shù)據(jù)來減少占空比；相機(jī)可能裝有運(yùn)動(dòng)傳感器，僅在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)才開始記錄，或者嵌入式圖像處理可能會(huì)丟棄無趣的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，過濾數(shù)據(jù)所需的能量必須與降低占空比節(jié)省的能量進(jìn)行比較，以確保凈收益。
環(huán)境能源
了解無線子系統(tǒng)所需的能量和功率后，就可以評(píng)估合適的環(huán)境源和微能量收集技術(shù)。
適合為這些系統(tǒng)供電的主要微型能量收集技術(shù)是太陽能電池陣列、由振動(dòng)激活的壓電或靜電轉(zhuǎn)換器，以及將溫度梯度轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì) (EMF) 的珀?duì)柼O(shè)備。通過貼片或線圈天線捕獲的射頻能源往往不適用于除最節(jié)儉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外的所有應(yīng)用。圖 3 比較了與這些技術(shù)相關(guān)的典型能量密度。使用此信息，可以通過評(píng)估可用組件的尺寸和性能來選擇技術(shù)并開始制定規(guī)范。
圖 3：收集的環(huán)境能源的功率密度。
面積為 35-40cm 2 的太陽能電池 可產(chǎn)生約 0.5 瓦的功率，假設(shè)效率約為 20%。這些產(chǎn)品的每臺(tái)售價(jià)不到 1 美元，而壓電采集器通常至少要貴一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且產(chǎn)生的能量更少。眾所周知，太陽能電池在室內(nèi)使用時(shí)效率較低。然而，最近推出了一些室內(nèi)太陽能收集器，聲稱可以為低功率無線電提供足夠的輸出。
把這一切放在一起
利用這些進(jìn)步，微能量收集可以被視為減少或消除物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)電池的解決方案。因?yàn)楫?dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要傳輸或接收數(shù)據(jù)時(shí)，能源本身通常是不規(guī)則的并且不一定可用，因此通常需要能量緩沖器或存儲(chǔ)設(shè)備。這可以是可充電電池或電容器（或超級(jí)電容器）。需要一個(gè)能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來處理來自收集子系統(tǒng)的能量，管理提供給能量緩沖器的電荷，并在需要時(shí)為負(fù)載供電，如圖 4 所示。各種能量收集技術(shù)具有不同的電氣特性。熱電采集器在低電壓下產(chǎn)生連續(xù)的直流電流，因此具有低阻抗。雖然太陽能電池也會(huì)產(chǎn)生低直流電壓
圖 4：EH PMIC 處理能量緩沖器的充電和應(yīng)用供電
當(dāng)今市場(chǎng)上的典型 EH PMICS 具有固定的架構(gòu)和輸入電壓范圍，旨在與特定類型的采集器配合使用。如果單獨(dú)的一個(gè)來源不能滿足系統(tǒng)要求，這就排除了使用替代收集器來捕獲額外的環(huán)境能量的可能性。因此，如果需要多個(gè)能源，則每個(gè)能源都需要一個(gè)專用的 EH PMIC。這會(huì)增加系統(tǒng)成本、尺寸和功耗，并且還會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
一些 EH PMIC 可以使用外部電路進(jìn)行修改，以調(diào)節(jié)能量收集器的輸出。然而，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Trameto 的 EH PMIC（稱為 OptiJoule）提供的輸入可以自動(dòng)適應(yīng)各種類型的連接采集器，并最大限度地提高輸送到緩沖器的功率，而無需外部電路。版本可用于單個(gè)輸入或最多四個(gè)輸入。多輸入版本具有連接相似或不同類型收割機(jī)的靈活性。因此，借助 OptiJoule 設(shè)備，可以擴(kuò)展微能量收集能力，將單個(gè) PMIC 用于多種應(yīng)用，甚至可以將能量收集技術(shù)的選擇推遲到產(chǎn)品開發(fā)后期（如果需要）。
結(jié)論
通過優(yōu)化無線電協(xié)議、低能耗微處理器設(shè)計(jì)、低功率傳感器的發(fā)展以及微能量收集效率的提高，環(huán)境能量已成為幫助減少或消除對(duì)電池的依賴并延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)終端運(yùn)行壽命的可行來源。在集成選定的微能量收集技術(shù)時(shí)，EH PMIC 的最新發(fā)展為管理尺寸、成本和復(fù)雜性提供了額外的靈活性。