具有能量收集功能的传感器才是设计成功的关键

物联网依赖于在正确的时间以正确的格式，这就是为什么能量收集无线传感器是特殊利益的获得良好的质量传感器数据，马蒂亚斯写道。

能量收集无线传感器已经引发了急剧上升的兴趣，因为它们代表，提供在其上的东西，整个互联网（物联网）模型依赖的基本输入数据的可靠和易于安装的技术。创建处理的基本数据的采集，处理和传输与可以从环境中收集的最小能量的传感器节点是一个挑战。

在索特ecoUnit无线室操作单元，温度传感器供电的太阳能电池，使增加的舒适性与显著降低了能耗。

有在能量收集无线传感器三个关键的任务：产生（收获）所需的能量，传感和处理环境参数（温度，湿度，位置），并以无线方式发送所收集的信息。所有三个任务需要优化在一起以提供可行的解决办法。

高能效的系统设计

能量通过的IoT传感器收集的最常见的形式是动能，太阳能和热（见方框对面）。

所有三个收集技术提供相对少量的能量（通常在微安范围）。功耗优化的系统设计因此，必须使基于这些能源的无线传感器。

三个主要任务定义一个无线传感器节点的功率预算 - 传感器测量，无线传输和空闲（不活动）状态。系统的设计必须平衡能量收获与这些任务的电力需求。

这种平衡可以建立在两个方向 - 为系统的功能（以及因此所需的功率）被固定，收割机被缩放，或收割机的能量输送是固定的，该系统的功能需要进行优化。第二种情况是比较常见的一种。

为了说明的要求，考虑一个太阳能为主房间控制单元的情况下。它的主要任务是测量温度和湿度在一个房间里，并与用户定义的设定点比较（通常目标温度而已，有时也目标湿度）。

可用能量预算由可用大小的太阳能电池（例如5平方厘米）和期望的最小照度级（200LUX六小时）的限制。

考虑标准室内太阳能电池的典型的性能，这意味着我们需要设计传感器系统消耗小于1μA平均电流。

为简单起见，我们将随后的基础上计算该电源电压被固定到3V的假设下平均电流。为了评估的功能界限，我们将首先分配的可用能量同样在提供有关的检测，无线传输和睡眠/功耗平均电流300nA的每一个的三个主要任务。

在这篇文章中所描述的功能已经在EnOcean公司STM 330能量采集温度传感器，可扩展的HSM 100湿度传感器得到落实。

一个优化的温度和湿度检测实施将需要约1毫安电流等效为一个周期为10ms的用于传感器操作，（通过I2C或类似总线）和初始数据处理传感器和处理器之间的数据交换。然后，我们可以通过每天的可用能量（300nA的x 86.4s）与每次测量（1毫安x 10ms）的所需要的能量进行比较计算，每天测量的最大数量，发现初始能量预算将允许每天2，592测量。

考虑到温度和湿度的变化非常缓慢，我们需要节约能源，我们设定每分钟测量一次（1，440每天）的速度。

移动到无线电传输，我们假设为25mA格式化和数据传输的平均电流在了125kBit / s的速率。根据现有的功率预算和我们计算每天的总可能的传输时间，这相当于刚刚超过一秒钟（或125000比特/ 15625字节）每天所需的传输电流。

关于把这个给测量可能的数量，我们可以找出能量收集无线传感器的一个关键制约因素 - 无线协议必须为最小尺寸进行优化。我们需要限制总报文长度10字节以便发送每个测量结果在一个无线报文。

从此，很明显，无论是无线电协议和传输量需要进行优化。

能源优化方案

与传感器相关联的有效载荷通常是小的（几个字节），因此一个优化的协议必须限制传输开销（帧控制，前导码，同步，误差检查），同时保持高可靠性的通信尽可能地。

标准的IP协议（UDP通过IPv6）需要超过50个字节的开销;因此，通常本地IPv6通信是不可能在能量收集传感器应用。优化的ISO / IEC 14543-3-1X协议的功率，与此相反，只需要12总共为传感器数据的1个字节的传输字节。使用这样的协议结合智能传输策略（的显著改变传输只）使得即使使用冗余子报文，以提高传输的可靠性。

尽量减少损失的睡眠

能量收集无线传感器必须是超低功耗的睡眠状态的时间超过99.99％。最小化功率消耗在该状态下，因此绝对必要的。

考虑到我们的设计例子，我们有300nA的总预算，需要支付到期的能量储存到泄漏在睡眠模式下处理器消耗（以能力为基于定时器的周期性唤醒）以及损失。

功率消耗的如此低的水平是难以实现的，即使在最新的处理器，并且可能是最大的设计挑战。定制的混合信号设计和优化的系统架构需要应对这些挑战。

从有线靠近无线

今天，对于的IoT输入数据被在本地连接到控制器和致动器的有线传感器通常设置。

在这里，所有的网络部件都靠近并且彼此直接连接。

这种方法非常适合于本地应用程序具有有限的灵活性的需要在不要求数据重用。

物联网，相比之下，不再需要这样的接近。它允许集中，甚至基于云的数据处理。

因此，相同的数据可以用于多种应用，拉低基础设施成本，并允许动态网络结构。

所有这些特征需要一个第二云，包括可部署和扩展灵活传感器和执行器节点。

使用最少的能源，这是他们从他们的周围收获的节点，提供一个适合和忘记的解决方案 - 它们可以被安装在最偏远的位置和依靠以最小的维护或执行注意他们的任务。

技术收集能量

能量可以从不同的来源收集;最常用的是：

动能 - 以不同的形式动能（横向移动，旋转或振动）长期以来被用于产生电能利用电磁或压电收割机。对于大多数应用，该电磁能收获是更好的选择，因为它提供了在一个较长的生命周期更稳定的能量输出，而不老化效应。这些收割机通常通过改变由移动磁体相对于线圈a或通过改变磁通极性通过线圈的磁通量工作。这种类型的动能收集为机械开关和类似应用的首选技术。

太阳能 - 许多传感器的应用是由小型太阳能电池供电。它们非常适合于以足够的照明（室内或室外），并通常用于传感器应用，如温度，湿度，光照或二氧化碳传感器的应用程序。能量递送可以通过调整太阳能电池的基础上的可用空间由应用程序设置的大小进行缩放。

热能 - 温度差异可以用于产生基于珀尔帖元件的能量。标准应用程序为这些元素是冷却的区域（例如冷却箱）时施加电能。相反的效果 - 根据温差产生的能量 - 用于热收获。珀耳帖元件的输出电压取决于温度差，通常是非常小的（20mV的供℃的温差）。因此专门电子器件需要利用这种能量。

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