“無(wú)中生有” 的免費能源
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
我相信，大多數人都記得英國搖滾樂(lè )隊“Dire Straight”的單曲“Money for Nothing (金錢(qián)無(wú)用)”，不過(guò)有多少人曾經(jīng)想到過(guò)，有一天“金錢(qián)無(wú)用”也能適用于能量收集! 免費能源如同“無(wú)中生有”，所以在能量收集領(lǐng)域，“金錢(qián)無(wú)用”了。確實(shí)，有些人也許會(huì )認為，這么說(shuō)有點(diǎn)兒夸張，不過(guò)事實(shí)仍然是，能量收集就是重新使用某種能源，而這種能源是另一種活動(dòng)的副產(chǎn)品，就是用這種能源給自主工作的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN) 供電。對于不熟悉無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)，可以這樣理解，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)本質(zhì)上是一種自含式系統，其中包括某種換能器，以將環(huán)境能源轉換成電信號，換能器后面通常跟隨的是 DC/DC 轉換器和管理器，以利用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/176045.htm如果要采用一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，那么有一個(gè)問(wèn)題需要好好考慮就是“要讓這個(gè)或這些無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)工作，需要多少功率?”從概念上看，這個(gè)問(wèn)題似乎相當簡(jiǎn)單，不過(guò)現實(shí)情況是，有幾個(gè)因素導致這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)兒難以回答。例如，多長(cháng)時(shí)間需要獲取一次讀數?或者，更重要的是，數據包多大? 需要發(fā)送多遠? 問(wèn)這些問(wèn)題的原因是，就獲取一次傳感器讀數而言，收發(fā)器消耗的能量大約占整個(gè)系統的 50%。有幾種因素會(huì )影響無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能量收集系統的功耗特性，這些因素如表 1 所述。
表 1：影響無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)功耗的因素
影響功耗的因素 | |
電源 (或電池) | 放電速率 |
電池大小 | |
電源電壓 | |
所用電極材料的類(lèi)型 | |
DC/DC 效率 | |
傳感器 | 物理信號至電信號的轉換 |
支持性組件的復雜性 | |
信號采樣 | |
信號調理 | |
ADC | 采樣速率 |
混疊 | |
高頻抖動(dòng) | |
微處理器 | 內核工作頻率 |
工作電壓 | |
與處理和計算負載成正比的功率 | |
環(huán)境溫度 | |
應用代碼 | |
外圍設備利用率 | |
射頻 | 調制方案 |
數據速率 | |
發(fā)送距離 | |
運行占空比 |
當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于運作狀態(tài)的時(shí)間長(cháng)度。因此，比較環(huán)境采集能量源的主要度量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常遇到的是低、易變和不可預知的可用功率等級，因而采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電能儲存器相連的混合結構。能量收集器因其不受限制的能量供應和功率方面的欠缺而成為系統的能量源。輔助電能儲存器 (一個(gè)電池或一個(gè)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(shí)候供電，而在除此之外的其他情況下則定期從收集器接收電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能量可供采集的情況下，就必須采用輔助電能儲存器來(lái)給 WSN 供電。當然，從系統設計人員的角度來(lái)看，這將使設計的復雜程度進(jìn)一步增加，原因是他們現在不得不考慮這樣一個(gè)問(wèn)題，即“為了補償環(huán)境能量源的缺失，輔助電能儲存器中必須存儲多少能量呢?”他們需要儲存多少能量，取決于幾個(gè)因素，這包括：
(1) 環(huán)境能源不存在的時(shí)間長(cháng)度
(2) 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的占空比 (即必須進(jìn)行數據讀取和發(fā)送的頻度)
(3) 輔助電能儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的尺寸和類(lèi)型
(4) 環(huán)境能量是否充足? 既可充當主能源，又有充足的剩余能量給輔助電能儲存器充電，以在某些沒(méi)有環(huán)境能源可用的特定時(shí)段供電
最新和現成有售的能量收集產(chǎn)品 (例如：振動(dòng)能量收集和室內光伏產(chǎn)品) 在典型工作條件下能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這一量級的功率看似用途有限，但多年來(lái)能量收集組件的運行意味著(zhù)，在能量提供和每能量單位的成本上，能量收集產(chǎn)品的技術(shù)與長(cháng)壽命的主電池大致上是可相比。此外，采用能量收集技術(shù)的系統一般在電量耗盡后能再充電，而主電池供電的系統是無(wú)法做到這一點(diǎn)。
環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的 RF 信號，或者其他任何能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。表 2 說(shuō)明了不同能源可產(chǎn)生的能量大小。
表 2：能源及其能產(chǎn)生的能量大小
能源 | 所產(chǎn)生的典型能量 | 典型應用 |
小型太陽(yáng)能電池板 | 幾百 mW/cm2 (直射太陽(yáng)光) | 手持式電子設備 |
小型太陽(yáng)能電池板 | 幾百 µW/cm2 (間接照射的太陽(yáng)光) | 手持式電子設備 |
席貝克器件 (將熱能轉換成電能) | 幾十 µW/cm2 (本身的熱量) | 遠程無(wú)線(xiàn)傳感器 |
席貝克器件 | 幾十 mW/cm2 (熔爐排氣煙囪) | 遠程無(wú)線(xiàn)啟動(dòng)器 |
壓電器件 (靠擠壓器件或器件撓曲產(chǎn)生能量) | 幾百 µW/cm2 | 手持式電子設備或遠程無(wú)線(xiàn)啟動(dòng)器 |
來(lái)自天線(xiàn)的 RF 能量 | 幾百 pW/cm2 | 遠程無(wú)線(xiàn)傳感器 |
要成功地設計一個(gè)完整的自含式無(wú)線(xiàn)傳感器系統，要求可方便地買(mǎi)到的節能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器要靠環(huán)境提供的很低能量工作，因此要最大限度地降低所消耗的電能。幸運的是，低成本、低功耗的傳感器和微控制器已經(jīng)上市幾年了，不過(guò)，直到最近，商用超低功率收發(fā)器才普及起來(lái)。
由于模擬開(kāi)關(guān)模式電源設計專(zhuān)長(cháng)在全球都短缺，設計一個(gè)如圖 1 所示有效的能量收集系統一直很難。主要問(wèn)題存在于與遠程無(wú)線(xiàn)檢測有關(guān)的電源管理方面。不過(guò)，幸運的是，凌力爾特等公司已經(jīng)推出了種類(lèi)繁多的能量收集 IC，這些 IC 為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的電源轉換及系統管理的設計提供了方便。這些器件可以從幾乎任何光源、熱源或機械振動(dòng)源抽取能量。此外，這些器件提供全面的功能且在設計中易于使用，所以極大地簡(jiǎn)化了在能量收集鏈中難以應對的電源轉換設計環(huán)節。這些器件的推出對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)設計師來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，因為這些器件具有高集成度，包括了電源管理控制功能，并使用現成有售的外部組件，從而成為最小、最簡(jiǎn)單和最易于使用的解決方案。
最后，盡管可以從無(wú)數的環(huán)境能源免費獲得功率，但是系統設計師和系統規劃師必須從一開(kāi)始就優(yōu)先考慮其電源管理系統的具體需求，以確保高效地完成設計，并成功地進(jìn)行長(cháng)期部署。
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