本文著眼于為工業(yè)環(huán)境中的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電力，從振動(dòng)，太陽(yáng)能和熱源獲取能量的技術(shù)和技術(shù)。

能源管理是任何工業(yè)運(yùn)營(yíng)中越來(lái)越重要的一部分。電力和天然氣是關(guān)鍵的管理成本，并且控制這些成本可能是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。同時(shí)，可以在車(chē)間使用更多聯(lián)網(wǎng)傳感器來(lái)監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)增加能源需求。預(yù)計(jì)這種機(jī)器2機(jī)器（M2M）網(wǎng)絡(luò)單元的市場(chǎng)將在未來(lái)十年內(nèi)增長(zhǎng)到超過(guò)500億臺(tái)設(shè)備，并且它們都需要用于運(yùn)行的電力。

在工業(yè)環(huán)境中，這些M2M裝置通常附近有能源;將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綁定到電源插座可能是昂貴且耗時(shí)的。隨著芯片制造技術(shù)的進(jìn)步以顯著降低功耗，以及可以提供長(zhǎng)距離和低功耗的頻率和協(xié)議選擇，這些單元現(xiàn)在可以利用本地環(huán)境來(lái)產(chǎn)生自己的功率。這種能量可以來(lái)自各種各樣的來(lái)源，從移動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)能量到熱差異，甚至來(lái)自室內(nèi)照明的能量。

這些通常與可充電電池一起使用，充電電池充當(dāng)電源和備用電源，但關(guān)鍵是這些不需要更換，并且可以持續(xù)設(shè)備的使用壽命，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)能量收集電路不斷充電。這些單元也是獨(dú)立的，因此它們可以放置在難以觸及的區(qū)域以及難以更換電池的區(qū)域，從而為操作管理者提供更大的靈活性，將這些傳感器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)放置在最佳位置。

太陽(yáng)能

Silicon Labs帶薄膜電池的太陽(yáng)能收集板（圖1）是一個(gè)評(píng)估板，其中包含提供由室內(nèi)照明或太陽(yáng)供電的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有必要元素。它針對(duì)的是定期喚醒以測(cè)量和傳輸結(jié)果的系統(tǒng)，并且由于它是從能量收集源供電的，因此薄膜電池的預(yù)期壽命大于15年或7000 mAh。這也意味著無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以設(shè)計(jì)成非常薄的外形，因?yàn)殡姵馗叨葹?.17 mm，以適應(yīng)最緊湊的空間。

圖1：采用薄膜電池的Silicon Labs太陽(yáng)能收集板的細(xì)節(jié)。

該系統(tǒng)由兩部分組成：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和EZRadioPRO USB加密狗。傳感器節(jié)點(diǎn)使用Silicon Labs Si1012無(wú)線MCU。加密狗使用Silicon Labs C8051F342 MCU和Silicon Labs Si4431無(wú)線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽(yáng)能收集電源供電。當(dāng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，Si1012無(wú)線MCU可以保持低功耗狀態(tài)，僅消耗50 nA。當(dāng)啟用時(shí)，能量收集電源的漏電流大約為3μA，并且可以通過(guò)照射到太陽(yáng)能電池中的50勒克斯來(lái)抵消。這允許能量收集供應(yīng)系統(tǒng)在暗柜中（在ON位置）為系統(tǒng)供電大約七天，或者如果存在補(bǔ)充能量損失的周期性光源則無(wú)限期地供電。該系統(tǒng)適用于室內(nèi)照明（200 lx）和室外照明（10，000 lx）條件。

用于收集能源的能源管理電路包括提供直流能量的太陽(yáng)能電池，可用于將交流振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為直流能量的整流器，以及采用直流能量和調(diào)節(jié)的凌力爾特公司電池管理IC如果電壓過(guò)低，它還可以通過(guò)斷開(kāi)電路來(lái)保護(hù)電池免于過(guò)度放電，并提供“運(yùn)輸模式”，在運(yùn)輸過(guò)程中斷開(kāi)電池并使其能量保持到最后用戶啟動(dòng)系統(tǒng)。

在能量收集系統(tǒng)中，重要的是保持系統(tǒng)使用的能量低于“收獲”能量的量，以防止儲(chǔ)存能量的穩(wěn)定耗盡。能量?jī)?chǔ)存庫(kù)越大，系統(tǒng)在沒(méi)有“從環(huán)境中”獲取新能量的情況下就可以越長(zhǎng)。

本參考設(shè)計(jì)中使用的儲(chǔ)能器是IPS的4.1 V，700μA-H薄膜電池。這種電池提供足夠的能量存儲(chǔ)，以保持系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)天，沒(méi)有任何“收獲”的電力。

能量存儲(chǔ)器輸出端的能量管理電路將4.1 V薄膜電池電壓轉(zhuǎn)換為2.7 V穩(wěn)壓電源，供Si1012無(wú)線MCU使用。該電路的主要組件是超低功耗LDO，欠壓檢測(cè)器和100μF鉭電容，用于提供RF傳輸所需的峰值電流。 LDO的關(guān)斷引腳與掉電檢測(cè)器的輸出相連，因此系統(tǒng)在100μF電容充電至少3.0 V之前不會(huì)通電。這可確保系統(tǒng)不會(huì)嘗試上電，除非它有足夠的電量?jī)?chǔ)存能量以通過(guò)加電序列。

Microchip的XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)套件（圖2）也使用太陽(yáng)能作為工業(yè)能量收集應(yīng)用的模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)。它基于Microchip的PIC MCU，采用nanoWatt XLP技術(shù)，可提供低于20 nA的休眠電流和低至50 nA的欠壓復(fù)位，從而使系統(tǒng)可以從太陽(yáng)能電池的少量電源中有效運(yùn)行。它針對(duì)RF傳感器，溫度和環(huán)境傳感器，公用事業(yè)儀表和安全傳感器。

圖2：Microchip XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)套件。

該套件的開(kāi)發(fā)板部分具有板載溫度傳感器，數(shù)據(jù)EEPROM，電位器，鐘表晶體，LED和用于PICtail模塊的擴(kuò)展連接器。這些模塊支持RF收發(fā)器和SD/MMC卡。

套件的功率由Cymbet的太陽(yáng)能收集器提供。該收割機(jī)采用高效太陽(yáng)能電池板，適用于室內(nèi)或室外燈，可在兩個(gè)Cymbet EnerChip薄膜可充電儲(chǔ)能設(shè)備中捕獲，管理和儲(chǔ)存能量。當(dāng)光線不足時(shí)，EnerChips為XLP開(kāi)發(fā)板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet開(kāi)發(fā)的Energy Conscious軟件算法監(jiān)控電源條件和容量。可以通過(guò)USB連接將監(jiān)控的信息報(bào)告給PC用戶界面。這允許實(shí)驗(yàn)和平衡能量收集與能量使用，最大化收集的能量用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的益處。

熱能

為了轉(zhuǎn)換環(huán)境中熱能的功率，EnOcean的EDK312開(kāi)發(fā)套件（圖3）包含一個(gè)低功率射頻發(fā)射器模塊，配有珀耳帖效應(yīng)傳感器以捕獲熱能。

圖3：EnOcean EDK312熱能收集開(kāi)發(fā)套件。

STM 312 RF模塊的工作頻率為868 MHz，支持各種無(wú)線和熱電傳感器，如溫度傳感器，濕度傳感器或室內(nèi)操作面板等。

ECT310 DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作溫度為20 mV，與用作熱電發(fā)電機(jī)的低成本標(biāo)準(zhǔn)Peltier元件的2 Kelvin溫差有關(guān)。 Peltier元件的兩個(gè)極板之間的溫差產(chǎn)生電能，并且需要超低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以將小輸出電壓升壓到標(biāo)準(zhǔn)電子電路所需的大于3V的電壓。

能量產(chǎn)生的效率取決于Peltier元件的熱側(cè)和冷側(cè)之間的熱傳遞阻力，因此必須確保兩個(gè)陶瓷晶片的良好隔熱，例如通過(guò)使用合適的塑料或泡沫聚苯乙烯。

該套件具有預(yù)定義的功能集，可用于能源管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。另外，可以基于Dolphin應(yīng)用程序編程接口（Dolphin API）來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶特定應(yīng)用程序。

振動(dòng)能量

在工業(yè)環(huán)境中，也有機(jī)會(huì)利用振動(dòng)能量為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。一種方法是使用壓電傳感器，如MidéVoltureV22振動(dòng)能量采集器（圖4）。這通過(guò)Midé專(zhuān)利的壓電換能器封裝技術(shù)將來(lái)自電機(jī)或其他設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)的其他能量浪費(fèi)轉(zhuǎn)化為可用的電能。

圖4：用于收集振動(dòng)能量的Mide V22壓電傳感器。

通過(guò)專(zhuān)有的制造工藝，Volture將壓電材料封裝在具有預(yù)先連接的電引線的保護(hù)性外殼中，從而產(chǎn)生沒(méi)有焊接線的堅(jiān)固元件。保護(hù)性皮膚還提供電絕緣和防御工業(yè)環(huán)境中可見(jiàn)的濕度和苛刻污染物。

通過(guò)在懸臂傳感器上增加小重量，可以將收割機(jī)調(diào)諧到特定設(shè)備的共振頻率，從而提供最佳的功率輸出。通常很難利用低壓能量清除源，例如低振動(dòng)幅度的壓電能量采集器，因?yàn)榇蠖鄶?shù)RF芯片需要1.8V或更高的最小電壓才能工作。

使用這些電源需要升壓轉(zhuǎn)換器，其啟動(dòng)電壓最小，啟動(dòng)電流要求低，并且能夠優(yōu)雅地處理欠壓和慢速輸入電壓上升時(shí)間。這可以通過(guò)電荷泵芯片提供，該芯片在低至約380mV的輸入電壓下提供從大約2.4VDC（結(jié)束于1.6-2VDC）開(kāi)始的功率脈沖。這提供了使用小型片上開(kāi)關(guān)（“飛行”）電容器的升壓，而不是電感升壓轉(zhuǎn)換。這意味著與典型的升壓轉(zhuǎn)換器相比，初始輸入電流要求降低，只需要一個(gè)小的電源旁路電容即可可靠啟動(dòng)。這對(duì)于直接為可以執(zhí)行其功能的小型傳感器供電是理想的，例如在已知的時(shí)間和功率下記錄和傳輸測(cè)量。

能量收集有廣泛的電力來(lái)源，每個(gè)工業(yè)環(huán)境都有自己的要求。使用來(lái)自電機(jī)的振動(dòng)能量來(lái)為確定電機(jī)運(yùn)行狀況的傳感器供電是很有意義的，尤其是當(dāng)傳感器可以通過(guò)使用能量收集而無(wú)需電源線的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接時(shí)。這允許節(jié)點(diǎn)深埋在機(jī)器內(nèi)部，提供關(guān)于系統(tǒng)健康狀況的重要數(shù)據(jù)，而無(wú)需更換電池的額外成本。

利用太陽(yáng)能甚至溫差來(lái)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電，可以靈活地監(jiān)控和控制工業(yè)設(shè)備，并可以更加嚴(yán)格地控制成本。將能量收集傳感器，微控制器，無(wú)線電收發(fā)器和可充電電池組合在一起的詳細(xì)開(kāi)發(fā)套件可幫助設(shè)備開(kāi)發(fā)人員和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員嘗試最有效的方式來(lái)獲取本地能量來(lái)為網(wǎng)絡(luò)供電。