【導讀】物聯網和對講機技術這幾年備受關注，然而這項技術不單單指個人電腦和手機通過互聯網相連，包括所有數十億個“物體”和設備為提高其使用效率而通過互聯網或局域網實現的無線互聯。這十億個物體的處置就是大工程。能量采集技術節能環保、輕松遠程充電。取代物聯網傳感器電池是大勢所趨。
物聯網上的物體和設備當中包括傳感器配備的無線終端。無線傳感器終端連接上網后，將會采集其周圍的環境信息。
這些終端使用了測量溫度、濕度、光照、運動、壓力、應力、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量越多，所采集到的數據就越多元化，精確度也越高。此類信息通常被稱為大數據，將有助于實現過去難以企及的設備控制、監測和預報功能，以及提供全新的云服務和業務。
物聯網與機對機的發展將對社會產生了重大影響，這要歸功于半導體器件的演變和無線技術的進步，因為元器件級的變革將推動設備朝著無線、更小巧和更高效的方向發展。裝上電池后，無需電線就可以將設備放置在各種不同的地方。
電池問題
如上所述，物聯網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據。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為這是個問題，但當數量達到一萬、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。這是人們關注無線傳感器終端普及的一個重要原因。
能量采集技術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電元件將光、振動和熱能轉化為電能，然后有效地加以利用。
得益于半導體在提高發電元件的性能與降低有源器件的耗電量之間找到了平衡，這些技術現在可以應用于現實生產。這是人們紛紛關注于這一關鍵技術的原因，它可以解決作為物聯網組成部分的無線傳感器終端的普及問題。
能量采集終端的內部結構
無線傳感器終端由感知周圍環境的傳感器、處理采集數據并控制系統的微控制器(MCU)和進行無線通信的無線芯片組成。與發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)。
圖1：在能量采集無線傳感器終端中，能量采集器和電源管理IC取代了鈕扣電池和干電池。
圖2：與這些發電元件相匹配的電源IC包括用于光和振動發電元件的超低功耗DC/DC降壓轉換器MB39C811；以及用于光和熱發電元件的支持超低輸入電壓的DC/DC升壓轉換器MB39C831。選擇發電元件時必須首先考慮，從周圍環境中采集的能量，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提供穩定的電能，這也同樣重要(見圖2)。
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發電元件
太陽能電池、壓電元件和熱電元件所產生的電能、輸出電壓和產生環境如圖3所示。每種元件產生的電能根據其尺寸和產生環境的不同而變化。將其集成到設備中時，需要全面了解以下情況：
● 可以獲得何種能源；
● 設備適合安裝何種尺寸的元件；
● 在設備中電能的產生與消耗之間會存在怎樣的平衡。
圖3：不同類型的常見能量采集技術，擁有不同的生成功率、輸出電壓和產生能量的環境因素。
還需要選擇一個與發電元件相匹配的電源IC。特別是發電元件輸出的電壓/電流/輸出特性(AC或DC)將根據元件的不同而變化，因而有必要選擇一個能提供最佳效果的電源IC。無線電源需求
與發電元件相同，無線傳感器網絡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、將要搭建的網絡類型、數據傳輸量、應用及功耗。在與能量采集技術結合使用時，關注的重點是低功耗，因此可選用的無線技術有EnOcean、ZigBee和藍牙低功耗(BLE)。
圖4：傳感器終端選用的無線協議應符合應用的需求。此表提供了各種指標的詳盡信息。
平衡產生與消耗在使用能量采集技術時，需要考慮的一個重點是，努力達到電能產生與消耗的平衡。這是因為如果電能的產生小于消耗，設備將無法工作。盡管發電元件的發電特性在逐年提高，但還是很難為現有條件下的設備持續提供足夠的電力。解決該問題的一個方法是將產生的電力收集到電容中，并間歇性地執行傳感器操作，從而平衡電力的產生和消耗。
為此，設計人員需要準確了解發電元件的發電環境、所產生的電能及其所需時間，以及設備的功耗和耗電時間。圖5演示了使用發電時間、電能采集時間和耗電時間，解決電力產生、采集和消耗平衡的要點。
圖5：平衡設備能量采集與需求的方法之一是，連續采集能量而間歇性地操作無線傳感器終端。
能量采集開發工具
為了平衡電能的產生與消耗，設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荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準確估算出電能產生和消耗的情況下，該操作也需要反復試驗。此外，當電能產生和消耗的估算不準時，必須計算出每種情況下的最優值，或與實際設備進行確認。Spansion公司開發出的網絡工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計算和研究能量采集技術，只需簡單的注冊便可使用。
從頭開始進行前面描述的開發和調查將具有相當的挑戰性。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的無線傳感器終端的開發(見圖6)。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對低功耗優化的原始協議。希望替代ZigBee和藍牙等低功耗無線協議的設計人員只需將射頻器件更換為相應的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個內置Spansion ARM Cortex-M3內核的FM3 MCU，因此用在ARM開發環境中時，可以實現各種定制化特性。
圖6：能量采集入門套件包括對最低功耗優化的原始無線協議和內置Spansion ARM Cortex-M3內核的FM3 MCU。
圖7：一款利用能量采集技術驅動BLE信標的入門套件，支持太陽能電池和壓電元件，以及更多的傳統選擇。
另一款入門套件利用能量采集技術驅動BLE信標(見圖7)，讓嵌入式設計人員能夠進行調研。太陽能電池或壓電元件可以連接起來作為發電元件，該套件還可以使用交流輸入、USB供電或天線連接的無線電源。使用能量采集電源IC的實際設備的開發工作，在許多地區和應用領域都取得了進展。在某些情況下，能量采集技術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，可以延長電池的壽命。這樣，采用能量采集技術的無線傳感器終端獲得了加速發展。在未來的幾年中，擁有該技術的無線傳感器終端將隨處可見。為能量采集而設計的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動物聯網的發展。
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