能量收集從滿(mǎn)足電源管理需求開(kāi)始

能量收集的概念已經(jīng)出現超過(guò)10年了，然而在現實(shí)環(huán)境中，由環(huán)境能源供電的系統一直很笨重、復雜和昂貴。不過(guò)，有些市場(chǎng)已經(jīng)成功地采用了能量收集方法，如交通運輸基礎設施、無(wú)線(xiàn)醫療設備、輪胎壓力檢測和樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)。尤其是在樓宇自動(dòng)化系統中，諸如占位傳感器、自動(dòng)調溫器甚至光控開(kāi)關(guān)等，以前安裝時(shí)通常使用的電源或控制配線(xiàn)，現在已經(jīng)不需要了，取而代之是，它們采用了局部能量收集系統。

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：“全球能源、科技和氣候政策展望（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 )可以將一棟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。

不過(guò)，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)供電的方法。環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送RF信號或能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的任何能源。這些能源在我們周?chē)教幎际?，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器（TEG）、面向振動(dòng)的壓電組件、面向太陽(yáng)光（或室內照明光）的光伏電池等，可將這些能源轉換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產(chǎn)生的電能。這些所謂的“免費”能源可用來(lái)自主地給電子組件和系統供電。

現在所有無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)都能以微瓦級平均功率工作，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。用收集的能量供電，還可以不再需要導線(xiàn)來(lái)供電或傳送數據。此外，工業(yè)過(guò)程、太陽(yáng)能電池板或內燃機產(chǎn)生的能量也可以收集起來(lái)使用，否則就浪費掉了。

能量收集應用的問(wèn)題和特性

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（參見(jiàn)圖1）。它們是：1）環(huán)境能源；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，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，實(shí)現與相鄰節點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

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)或壓力的情況下，壓電器件可用來(lái)將機械能轉換成電能。

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。

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。

有幾種因素影響無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能量收集系統的功耗特性。表1概述了這些因素。

表1 ：影響無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)功耗的因素。

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時(shí)間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會(huì )遇到低的、可變的和不可預測的可用功率，因而通常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。收集器由于其無(wú)限的能量供應和功率不足而成為系統能源。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，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒(méi)有可供收集功率的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲存器給WSN供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進(jìn)一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個(gè)問(wèn)題“為了對缺乏環(huán)境能量源的情況下提供補償，應在輔助儲存器中存儲多少能量?”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：