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能量采集器件取代物聯網傳感器電池 [2015/1/28]

近年來,物聯網(IoT) 與機對機( M2M ) 市場和技術引起了人們廣泛的關注。物聯網與機對機的概念不僅是指個人電腦和手機通過互聯網相連,而且包括所有數十億個“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。伴随這數十億個物體而來的,還有必須購買、維護和處置的數十億塊電池。為此,能量采集技術提供了一個直截了當的解決方案,使用清潔能源輕松地為這些設備遠程充電。
    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後,将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、氣體、液位(液位計液位變送器)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,精确度也越高。此類信息通常被稱為大數據,将有助于實現過去難以企及的設備控制、監測和預報功能,以及提供全新的雲服務和業務。
    物聯網與機對機的發展将對社會産生了重大影響,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将推動設備朝着無線、更小巧和更高效的方向發展。裝上電池後,無需電線就可以将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。隻使用一、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、液位元件(電容式液位計電容式液位變送器)等發電元件将光、振動和熱能轉化為電能,然後有效地加以利用。
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産。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。
    能量采集終端的内部結構
    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幹電池。
在能量采集無線傳感器終端中,能量采集器和電源管理IC取代了鈕扣電池和幹電池。
    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,并向後級IC提供穩定的電能,這也同樣重要。
    發電元件
    太陽能電池、壓電元件和熱電元件所産生的電能、輸出電壓和産生環境所示。每種元件産生的電能根據其尺寸和産生環境的不同而變化。将其集成到設備中時,需要全面了解以下情況:
● 可以獲得何種能源;
● 設備适合安裝何種尺寸的元件;
● 在設備中電能的産生與消耗之間會存在怎樣的平衡。
    不同類型的常見能量采集技術,擁有不同的生成功率、輸出電壓和産生能量的環境因素。
    還需要選擇一個與發電元件相匹配的電源IC。特别是發電元件輸出的電壓/電流/輸出特性(AC或DC)将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。需考慮的主要方面包括通信距離、将要搭建的網絡類型、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)。
    平衡産生與消耗
    在使用能量采集技術時,需要考慮的一個重點是,努力達到電能産生與消耗的平衡。這是因為如果電能的産生小于消耗,設備将無法工作。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将産生的電力收集到電容中,并間歇性地執行傳感器操作,從而平衡電力的産生和消耗。
    為此,設計人員需要準确了解發電元件的發電環境、所産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,解決電力産生、采集和消耗平衡的要點。
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