無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)作為能量收集的關(guān)鍵應(yīng)用

能量收集背景

在當(dāng)今環(huán)保的地球友好心態(tài)中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經(jīng)存在了十多年;然而，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)施環(huán)境能源供電系統(tǒng)一直很麻煩、復(fù)雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場(chǎng)示例包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、胎壓傳感和樓宇自動(dòng)化。具體來(lái)說(shuō)，在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開(kāi)關(guān)之類的東西已經(jīng)消除了通常與其安裝相關(guān)的電源或控制布線，而是使用局部能量收集系統(tǒng)。

建造節(jié)能的智能建筑，包括商業(yè)和住宅結(jié)構(gòu)，是確保節(jié)能結(jié)構(gòu)不會(huì)大量使用化石燃料的傳統(tǒng)電源的先決條件。

就商業(yè)建筑而言，使它們變得智能對(duì)于安置在其中的組織至關(guān)重要，因?yàn)閾碛泄?jié)能和精簡(jiǎn)的建筑有助于降低能源成本，同時(shí)也為其中的工人提供生產(chǎn)環(huán)境。然而，達(dá)到這一點(diǎn)并非沒(méi)有其自身的一系列缺點(diǎn)。例如，這些建筑物將需要能夠提供必要反饋的基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)供暖和制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行、照明控制和有效的空間利用。這很可能需要使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）作為監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境的方法，并將增加他們對(duì)替代電源的依賴，以有效管理和控制它們。

智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)

智能建筑將不斷改變?nèi)藗兠刻扉_(kāi)展活動(dòng)的方式。此外，除了節(jié)約能源外，智能建筑還將有助于節(jié)省資金。一些物聯(lián)網(wǎng)智能建筑趨勢(shì)已經(jīng)形成，以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。

一個(gè)很好的例子是預(yù)測(cè)性維護(hù)將如何利用傳感器（IoT）和其他硬件設(shè)備來(lái)獲取有關(guān)商業(yè)建筑及其中所有設(shè)備狀態(tài)的報(bào)告。這種反饋將使我們能夠在需要時(shí)及時(shí)有效地安排任何必要的維護(hù)時(shí)間。預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃中通常出現(xiàn)的不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題可以通過(guò)使用預(yù)測(cè)性維護(hù)方法來(lái)克服。

此外，工人的生產(chǎn)力可能會(huì)受到空氣質(zhì)量的不利影響。該領(lǐng)域的行業(yè)研究表明，與更傳統(tǒng)的建筑物相比，當(dāng)工人在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量良好的建筑物中工作時(shí)，他們的工作效率提高了 10%。同樣，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用于測(cè)量和檢查空氣質(zhì)量，以及使用作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)一部分的各種傳感器中的二氧化碳水平。這些設(shè)備連接到建筑基礎(chǔ)設(shè)施的所有區(qū)域，從而能夠保持環(huán)境和其中每個(gè)人的健康和生產(chǎn)力。

預(yù)計(jì)未來(lái)的另一個(gè)新趨勢(shì)是在智能建筑中使用物聯(lián)網(wǎng)支持的應(yīng)用程序。一個(gè)很好的例子是使用熱成像技術(shù)，使設(shè)施管理人員能夠檢查他們的設(shè)備是否超出其工作溫度范圍。這可以很容易地檢測(cè)到，從而允許在設(shè)備中斷其正常運(yùn)行模式之前進(jìn)行維護(hù)。例如，物聯(lián)網(wǎng)將改變商業(yè)設(shè)施管理人員跟蹤信息以及測(cè)量和收集數(shù)據(jù)的方式;這包括以前難以到達(dá)的難以進(jìn)入的區(qū)域。在建筑物的各個(gè)部分安裝傳感器將跟蹤他們過(guò)去從未訪問(wèn)過(guò)的所有信息。通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)互連系統(tǒng)，設(shè)施管理人員現(xiàn)在可以使用這些系統(tǒng)訪問(wèn)所有相關(guān)信息。

物聯(lián)網(wǎng)將使商業(yè)業(yè)主擁有能源充足的建筑物成為可能。這影響了建筑物的設(shè)計(jì)，并使它們具有環(huán)保和資源效率。此外，這些智能樓宇管理系統(tǒng)可以從任何地方進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，從而可以用傳感器取代過(guò)時(shí)的重型建筑設(shè)備，這些傳感器可以使用振動(dòng)和溫度波動(dòng)等指標(biāo)進(jìn)行控制。顯然，這節(jié)省了大量的能源和金錢(qián)，同時(shí)也降低了維護(hù)成本。

最后，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)建筑物最重要的影響之一是能源效率。傳感器網(wǎng)絡(luò)有助于提供信息，幫助管理人員更有效地控制其資產(chǎn)，同時(shí)減少環(huán)境中的有害廢物。示例包括：

使用傳感器進(jìn)行溫度控制

使用執(zhí)行器進(jìn)行暖通空調(diào)控制

復(fù)雜的應(yīng)用，例如為建筑物提供完整的能源自動(dòng)化

考慮天氣預(yù)報(bào)以節(jié)省實(shí)時(shí)能源成本

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)：能量收集的關(guān)鍵應(yīng)用

能量收集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的無(wú)線電傳感器。在美國(guó)，建筑物是每年能源生產(chǎn)的頭號(hào)用戶，緊隨其后的是運(yùn)輸和工業(yè)部門(mén)。

利用能量收集技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以將建筑物中任意數(shù)量的傳感器連接在一起，以在建筑物或房間無(wú)人居住時(shí)調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉非必要區(qū)域的燈來(lái)降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設(shè)備的成本通常低于運(yùn)行電源線或更換電池所需的日常維護(hù)，因此采用收集功率技術(shù)顯然可以獲得經(jīng)濟(jì)收益。

然而，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多優(yōu)勢(shì)就會(huì)消失。盡管正在進(jìn)行的電源管理發(fā)展使電子電路能夠在給定電源下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，但這有其局限性，而功率能量收集提供了一種補(bǔ)充方法。因此，能量收集是一種通過(guò)將本地環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用電能來(lái)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法。環(huán)境能量源包括光、熱差、機(jī)械振動(dòng)、傳輸?shù)?a target="_blank">射頻信號(hào)或任何可以通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的源。這些能源就在我們身邊，它們可以通過(guò)使用合適的傳感器轉(zhuǎn)換為電能，例如用于溫差的熱電發(fā)電機(jī)（TEG），用于振動(dòng)的壓電元件，用于陽(yáng)光（或室內(nèi)照明）的光伏電池，甚至來(lái)自水分的電流能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用于自主為電子元件和系統(tǒng)供電。

由于完全無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在能夠以微瓦級(jí)的平均功率水平運(yùn)行，因此從非傳統(tǒng)來(lái)源為其供電是可行的。這導(dǎo)致了能量收集，在電池使用不方便、不切實(shí)際、昂貴或危險(xiǎn)的系統(tǒng)中提供充電、補(bǔ)充或更換電池的電力。它還可以消除對(duì)電線傳輸電力或傳輸數(shù)據(jù)的需求。

典型的能量收集配置或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）由四個(gè)模塊組成，如圖1所示。這些是：

環(huán)境能源

傳感器元件和電源轉(zhuǎn)換電路，用于為下游電子設(shè)備供電

將節(jié)點(diǎn)連接到物理世界的傳感組件，以及由微處理器或微控制器組成的計(jì)算組件，用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中

由短程無(wú)線電組成的通信組件，用于與相鄰節(jié)點(diǎn)和外部世界進(jìn)行無(wú)線通信。

環(huán)境能源的例子包括連接到發(fā)熱源（如HVAC管道）的TEG（或熱電堆），或連接到振動(dòng)機(jī)械源（如窗玻璃）的壓電換能器。在熱源的情況下，緊湊的熱電裝置可以將微小的溫差轉(zhuǎn)換為電能。在存在機(jī)械振動(dòng)或應(yīng)變的情況下，可以使用壓電裝置將其轉(zhuǎn)換為電能。

一旦產(chǎn)生電能，就可以通過(guò)能量收集電路將其轉(zhuǎn)換并修改為合適的形式，為下游電子設(shè)備供電。因此，微處理器可以喚醒傳感器進(jìn)行讀數(shù)或測(cè)量，然后可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行操作，以便通過(guò)超低功耗無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

圖1.典型能量收集系統(tǒng)的主要模塊。

當(dāng)然，能量收集源提供的能量取決于能量源運(yùn)行的時(shí)間。因此，比較清除源的主要指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常受到低、可變和不可預(yù)測(cè)的可用功率水平的影響，因此經(jīng)常使用與收集器和輔助電源存儲(chǔ)接口的混合結(jié)構(gòu)。收割機(jī)由于其無(wú)限的能量供應(yīng)和功率不足，是系統(tǒng)的能源。輔助電源存儲(chǔ)，無(wú)論是電池還是電容器，產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲(chǔ)的能量更少，在需要時(shí)供電，但定期從收割機(jī)接收電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能量從中獲取電力的情況下，必須使用輔助電源為WSN供電。

成功設(shè)計(jì)完全獨(dú)立的無(wú)線傳感器系統(tǒng)需要現(xiàn)成的節(jié)能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器在低能耗環(huán)境中消耗的電能最少。這種能量收集器模塊的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)如圖1所示。這些通常由低性能的分立配置組成，通常包含 30 個(gè)或更多組件。這種設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致終端系統(tǒng)的性能下降?？紤]一下，由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出有多低，系統(tǒng)必須首先克服自身運(yùn)行所需的電流水平，然后才能向輸出提供任何多余的功率。

能量收集示例

圖 2 示出了基于 LTC3109 的能量收集系統(tǒng)示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電源管理器，能夠從極低的輸入電壓源（如 TEG、熱電堆甚至小型太陽(yáng)能電池）收集和管理剩余能量。使用自極性拓?fù)涫蛊淠軌驈牡椭?0 mV的輸入源工作，無(wú)論極性如何。

圖2.LTC3109的典型應(yīng)用原理圖。

圖 2 中的電路使用兩個(gè)緊湊的升壓變壓器來(lái)升壓 LTC3109 的輸入電壓源，從而為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它可以收集微小的溫差并產(chǎn)生系統(tǒng)電力，而不是使用傳統(tǒng)的電池電源。

每個(gè)變壓器的次級(jí)繞組上產(chǎn)生的交流電壓利用一個(gè)外部充電泵電容器和 LTC3109 內(nèi)部的整流器進(jìn)行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容器提供電荷，然后向其他輸出提供電荷。內(nèi)部2.2 V LDO穩(wěn)壓器可支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

由于模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)在全球范圍內(nèi)供不應(yīng)求，因此很難設(shè)計(jì)出用于綠色建筑的有效能量收集系統(tǒng)。主要障礙之一是與遠(yuǎn)程無(wú)線傳感相關(guān)的電源管理方面。然而，能量收集組件可以從幾乎任何熱源中提取能量，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用能量收集的電源。這不僅減少了化石燃料的使用，還有助于為當(dāng)代和后代創(chuàng)造一個(gè)更環(huán)保的建筑環(huán)境。

審核編輯：郭婷