有關(guān)電源管理的一些看法

　　能量收集系統的一個(gè)主要應用是樓宇自動(dòng)化系統中的無(wú)線(xiàn)傳感器。為方便說(shuō)明，我們考慮一下美國能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產(chǎn)的頭號用戶(hù)，約占總能耗的 38%，緊隨其后的是交通運輸和工業(yè)領(lǐng)域，各占總能耗的 28%。此外，建筑物可以進(jìn)一步分成商用建筑和民用建筑，在這 38% 的能耗中，分別分得 17% 和 21%。而民用建筑 21% 的能耗數字還可以進(jìn)一步劃分，其中取暖、通風(fēng)和空調 （HVAC） 約占民用建筑總能耗的 3/4。目前預計，從 2003 年到 2030 年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動(dòng)化系統可以節省多達 30% 的能源 ［數據來(lái)源：“World Energy， Technology and Climate policy outlook （WETO）”，由歐盟多個(gè)研究機構聯(lián)合撰寫(xiě)］。

　　類(lèi)似地，一個(gè)采用能量收集方法的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以將一幢大樓中任何數量的傳感器連接起來(lái)，以在非主要區域的大樓或房間中沒(méi)人時(shí)，調節該區域的溫度或關(guān)掉該區域的照明燈，從而降低 HVAC 和電力費用。此外，能量收集電子線(xiàn)路的成本常常低于布設電源線(xiàn)的成本或更換電池所需的日常維護成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經(jīng)濟收益。

　　然而，如果每個(gè)節點(diǎn)都需要自己的外部電源，那么很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就失去了優(yōu)勢。盡管電源管理技術(shù)確實(shí)在持續發(fā)展，已經(jīng)使電子電路能在給定電源情況下工作更長(cháng)時(shí)間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補充方法。因此，能量收集通過(guò)將局部環(huán)境能源轉換成可用的電能，成為一種給無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電或補充供電的方法。

　　由于所有無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)如今都能依靠幾百 μW 至幾十 mW 的功率運作，因此用非傳統電源給它們供電是可行的。這導致了能量收集的出現，在使用電池不方便、不現實(shí)、昂貴或危險的系統中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補充或代替電池。顯然，如果能夠把電池的更換周期從 2 年延長(cháng)至 5 年或 7 年，那么實(shí)現的維護成本節省將是很巨大。

　　一個(gè)典型的能量收集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) （WSN） 由 4 個(gè)方框組成，如圖 1 所示。它們是：1） 環(huán)境能量源；2） 換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉換電路；3） 將該節點(diǎn)連接到現實(shí)世界的檢測組件和計算組件 （由微處理器或微控制器組成，負責處理測量數據并將數據儲存到存儲器中）；4） 由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，用于實(shí)現與相鄰節點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

　　圖 1：一個(gè)典型的能量收集系統或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的主要組成方框圖

　　環(huán)境能源的例子包括：連接到 HVAC 管道等發(fā)熱源的熱電發(fā)生器 （TEG） 或熱電堆；或者連接到諸如窗玻璃等機械振動(dòng)源的壓電換能器。在熱源情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件 （常稱(chēng)為換能器） 可將小的溫差轉換成電能。而在存在機械振動(dòng)或應變的情況下，壓電器件可用來(lái)將此類(lèi)機械能轉換成電能。

　　一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由能量收集電路轉換并調整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可由一個(gè)模數轉換器進(jìn)行處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器傳送 （典型傳送電流水平為 20~30mA，持續時(shí)間為 1~10ms）。

　　最先進(jìn)和現成可用的能量收集技術(shù) （例如：振動(dòng)能量收集和室內光生伏打技術(shù)） 在典型工作條件下能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。雖然這么低的功率可能看似很有限，但是若干年來(lái)收集組件的工作可以說(shuō)明，無(wú)論就能量供應還是就所提供的每能量單位成本而言，這種技術(shù)大體上與長(cháng)壽命的主電池相當。除此之外，運用能量收集的系統一般能在電能耗盡之后重新充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統是做不到的。