物聯(lián)網(wǎng)上的物體和設(shè)備當(dāng)中包括傳感器配備的無線終端。無線傳感器終端連接上網(wǎng)后,將會采集其周圍的環(huán)境信息。
這些終端使用了測量溫度、濕度、光照、運動、壓力、應(yīng)力、失真、位置、流速和氣體等多種類型的傳感器。放置的傳感器終端數(shù)量越多,所采集到的數(shù)據(jù)就越多元化,精確度也越高。此類信息通常被稱為大數(shù)據(jù),將有助于實現(xiàn)過去難以企及的設(shè)備控制、監(jiān)測和預(yù)報功能,以及提供全新的云服務(wù)和業(yè)務(wù)。
物聯(lián)網(wǎng)與機對機的發(fā)展將對社會產(chǎn)生了重大影響,這要歸功于半導(dǎo)體器件的演變和無線技術(shù)的進步,因為元器件級的變革將推動設(shè)備朝著無線、更小巧和更高效的方向發(fā)展。裝上電池后,無需電線就可以將設(shè)備放置在各種不同的地方。
電池問題
如上所述,物聯(lián)網(wǎng)與機對機的一個重要需求是,能夠在各種各樣的地方放置無線傳感器終端收集數(shù)據(jù)。但是其中有一個很大的問題:配電線路的安裝,或是使用電池情況下的電池壽命或電池更換時間。只使用一、二十塊電池時沒有人會認(rèn)為這是個問題,但當(dāng)數(shù)量達(dá)到一萬、一百萬或一億時,就不僅要考慮電池的成本,還要考慮巨額的維修費用。這是人們關(guān)注無線傳感器終端普及的一個重要原因。
能量采集技術(shù)可以提供一種解決方案。它使用太陽能電池、壓電元件和熱電元件等發(fā)電元件將光、振動和熱能轉(zhuǎn)化為電能,然后有效地加以利用。
得益于半導(dǎo)體在提高發(fā)電元件的性能與降低有源器件的耗電量之間找到了平衡,這些技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于現(xiàn)實生產(chǎn)。這是人們紛紛關(guān)注于這一關(guān)鍵技術(shù)的原因,它可以解決作為物聯(lián)網(wǎng)組成部分的無線傳感器終端的普及問題。
能量采集終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
無線傳感器終端由感知周圍環(huán)境的傳感器、處理采集數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)的微控制器(MCU)和進行無線通信的無線芯片組成。與發(fā)電元件相匹配的電源IC取代了過去的鈕扣電池和干電池(見圖1)。
選擇發(fā)電元件時必須首先考慮,從周圍環(huán)境中采集的能量,其類型是振動、光還是熱能。最常用的類型是太陽能、壓電和熱電。用于發(fā)電元件的電源IC能夠無損、高效地從該元件收集電能,并向后級IC提供穩(wěn)定的電能,這也同樣重要(見圖2)。
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發(fā)電元件
太陽能電池、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,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)生與消耗之間會存在怎樣的平衡。
無線電源需求
與發(fā)電元件相同,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的無線通信方式的選擇,也必須與其傳輸目的相匹配(見圖4)。需考慮的主要方面包括通信距離、將要搭建的網(wǎng)絡(luò)類型、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,關(guān)注的重點是低功耗,因此可選用的無線技術(shù)有EnOcean、ZigBee和藍(lán)牙低功耗(BLE)。
在使用能量采集技術(shù)時,需要考慮的一個重點是,努力達(dá)到電能產(chǎn)生與消耗的平衡。這是因為如果電能的產(chǎn)生小于消耗,設(shè)備將無法工作。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。解決該問題的一個方法是將產(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間,以及設(shè)備的功耗和耗電時間。圖5演示了使用發(fā)電時間、電能采集時間和耗電時間,解決電力產(chǎn)生、采集和消耗平衡的要點。
能量采集開發(fā)工具
為了平衡電能的產(chǎn)生與消耗,設(shè)計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電能采集時間和可用的電負(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。此外,當(dāng)電能產(chǎn)生和消耗的估算不準(zhǔn)時,必須計算出每種情況下的最優(yōu)值,或與實際設(shè)備進行確認(rèn)。Spansion公司開發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計算和研究能量采集技術(shù),只需簡單的注冊便可使用。
從頭開始進行前面描述的開發(fā)和調(diào)查將具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。能量采集入門套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡化和加速使用能量采集技術(shù)的無線傳感器終端的開發(fā)(見圖6)。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對低功耗優(yōu)化的原始協(xié)議。希望替代ZigBee和藍(lán)牙等低功耗無線協(xié)議的設(shè)計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)是一個內(nèi)置Spansion ARM Cortex-M3內(nèi)核的FM3 MCU,因此用在ARM開發(fā)環(huán)境中時,可以實現(xiàn)各種定制化特性。
使用能量采集電源IC的實際設(shè)備的開發(fā)工作,在許多地區(qū)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了進展。在某些情況下,能量采集技術(shù)催生了無電池的無線傳感器終端。而在其他情況下,同時采用電池和能量采集技術(shù),可以延長電池的壽命。這樣,采用能量采集技術(shù)的無線傳感器終端獲得了加速發(fā)展。在未來的幾年中,擁有該技術(shù)的無線傳感器終端將隨處可見。為能量采集而設(shè)計的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
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