嵌入式处理器的能量收集

如果它不是机器人或机床，那么您的物联网项目很可能是（或包含）远程传感器节点。它可能会使用小型电池为自己供电。理想情况下，物联网项目中能量收集的目标是完全消除电池。更有可能的是，能源将被要求补充电池的输出；使其使用时间更长。因此，能量收集的发展有两个重点：一方面，我们正在研究能量转换本身（不是一项成熟的技术，但它不会很快离开我们）。另一方面，我们正在研究超低功耗传感器节点组件，其纳安级功耗对电池寿命的影响最小。

具有讽刺意味的是，一些远程传感器节点被称为“能量收集器”（公司产品文献中的“EH”）。他们使用以最小电流运行的组件，例如以每 MHz 微安运行的微控制器。EH 开发套件的宣传主题不是将环境能量转换为可用直流电压的技术，而是系统组件——传感器、信号调节 IC、微功率控制器和通信端口——其超低功耗使电池实际上过时的。

事实是，能量收集技术实际上仍处于起步阶段，尽管有几种不断发展的技术：例如，光伏电池板可用于大规模电力转换。目前，屋顶太阳能电池板可以转换足够的能量来为家庭或办公室供电。但大规模储能仍然是一个挑战。电容式存储系统——有些像自卸卡车一样大——提供可用的长期能量存储，但对于移动系统（嵌入式）来说，它们几乎不便携。

能量收集技术仍然是能量收集传感器尺寸的关键。高功率系统依赖于更大的能量转换器：太阳能电池每平方厘米提供 100 mW 的功率——这个正方形足以为袖珍计算器供电。但是你可以通过收获收集的能量从那里开始下降。热梯度采集器每平方厘米提供 10 mW；振动（压电）每平方提供 100 微瓦 （100µW）。射频 （RF） 能量收集器——似乎很受欢迎，因为要收集的能量太多了——每平方厘米产生 0.1 µW（100 皮瓦）。

能量收集技术 虽然不是特别高，但环境能量转换器的效率取决于它们运行的环境。完全荒谬的是，虽然可以（使用染料升华技术，DSSC）调整太阳能转换器对室内照明波长的灵敏度，但您不会从锁定在室内壁橱中的太阳能电池中获取太多能量，例如荧光管发出的那些（约 600 nm）。

压电设备（不同金属的“三明治”）可以通过机械变形产生可用电压，但与传感器的面积和变形相比，所收集的电力仍然非常小。你可以用鞋子里的压电设备产生的能量给手机电池充电，但这是一个星期的努力。

据英国博尔顿大学的研究人员称，压电纤维可以制造发电织物。

热梯度是一种不同类型的“三明治”，它声称具有高转换效率和高输出。它使用塞贝克效应，将半导体夹在热板和冷板之间。虽然倡导者声称转换效率很高，但收集的电量是冷热板的函数——它们的大小以及冷热金属之间的温差。差值越大，可用电能的量就越大。但是这种类型的能量转换在温差很大的地方效果最好——比如加拿大北极地区的热板。

压电能量收集器的应用包括运动组件和振动监视器。无线 HVAC 传感器和移动资产跟踪在制造商的产品文献中被确定为可行的传感器；压电设备似乎更适合感测机械力和变形，而不是气体条件（如温度和湿度）。

智能建筑应用 智能建筑 的能量收集器主要是 HVAC 传感器，用于监控会议室的占用情况（红外功能）以及空气温度、湿度和二氧化碳含量。其他智能建筑传感器监控照明（包括窗户灯、房间灯和窗帘控制）。安全传感器查看非法房间占用和入侵。公用事业监控执行抄表和电力使用的非高峰控制。提供“平台即服务”（PaaS） 的 EH 系统与云服务交互，从而实现蓝牙和其他网络通信。

邮箱功能（如设备服务标签）与微控制器配合使用。对于数据记录应用，EH 模块将支持冷冻食品运输的冷链时间和温度监测。医疗应用包括智能贴片，其中传感器查看血糖、体温、湿度、pH 值和氧气。（例如，德州仪器公司的 Web 上提供了气体检测器参考设计。）

另一个有趣的趋势是使用需要降低功耗的微型嵌入式电池。与 Cymbet 生产的硅电池一样，硅电池将从各种来源进行电路充电（见图2）。

图 2：零功率传感器可以从几乎任何环境中获取能量。能源包括光、振动、流动、运动、压力、磁场和射频。

保持小 作为一项技术发展，模拟半导体制造商已将研发精力放在超低功率半导体上，而不是太阳能电池或特殊调谐的振动传感器上。可穿戴设备、远程传感器节点（包括网状网络）、移动传感器（如气体检测器）和运动检测器需要小型（甚至微观）能量转换器，而不是使用像火车车一样大的采集器。

因此，半导体制造商在其数据表和白皮书中发布的建议强调超低功耗。Analog Devices 的 LTC3588、Maxim 的 MAX17710 或 Texas Instruments 的 bq25504 等信号调理 IC 强调超低电流消耗，即使在多个混合负载下也是如此。例如，3588 的文献表明它针对压电输入进行了优化，尽管它们的高阻抗可以与多种能源一起使用。3588 本质上是一款具有 450nA 静态电流的低功率 AC-DC 转换器。它将接受 2.7 V 至 28 V 的输入，输出低至 1.8 V — 压降不超过 400 mV。

Maxim 声称其 MAX17710 将管理输出电平范围为 1 µW 至 100 mW 的调节不佳的电源。该设备可以从各种能量转换源提供超过 20 mA 的电流。同样，TI 的 BQ25504 本质上是一种超低功耗、高效率 DC-DC，可从低输入源（例如 80 mV）提供连续能量收集。其静态电流小于 330 nA。

EH 处理器 MCU 功耗规范同样侧重于超低功耗应用。从技术上讲，功耗是消耗的电流（微安或纳安）乘以产生的电压（通常以毫伏为单位）的组合。在能量收集器的接收端，该数字可能以微伏为单位。

常见的物联网设计目标是最小化用于激活节点的设备的尺寸和电流消耗，但这足以为嵌入式电池和/或各种低功耗组件充电。

ARM Cortex M的各种变体宣扬其看似无穷小的功耗：例如，Atmel 32位ARM Cor皮质M0+在主动处理模式下的功耗为35µA/MHz。处理器在睡眠模式下总共消耗200 nA。Ars Technica说，如果我们谈论的是保持电池寿命，这种微控制器的低功耗将使这种能力不仅持续数年，而且持续数十年。

另一个例子，赛普拉斯半导体的无线传感器能量收集 PMIC 具有长间隔中断定时器模式，可以通过长时间待机来延长电池寿命。它与赛普拉斯 PSoC 等低功耗微控制器一起运行。

Texas Instruments 自己的 ARM Cortex M 版本 MSP432 拥有 80µA/MHz 的有效电流消耗和 660nA 的待机电流消耗。

当然，TI 在有关微控制器功耗的教程中建议，实际处理器功耗反映了几个不同操作阶段的聚合。这些将包括活动和睡眠模式。在嵌入式系统应用中，微控制器可能在其生命周期的大部分时间里处于休眠状态。睡眠模式功耗可能是更有用的规范，而不是对多 MHz 时钟的响应。

因此，延长电池寿命似乎完全取决于睡眠和活动时间的比例。TI 建议微控制器功耗“不是一个数字”。

审核编辑：郭婷