用于自供电物联网设备的环境能源

物联网（IoT）正在迅速发展，已经部署了数十亿个微型设备，如智能传感器和执行器。通常，它们是用于收集信息的传感器，有时通常以小的方式影响环境，以寻求改善生活的各个方面，例如可持续性，安全性和业务绩效。

单个 IoT 网络可以只包含几个节点，也可以包含数十个、数百个或数千个节点。它们可以部署在密闭空间内或整个大地理区域，如大型农场，工业场所，城市，甚至跨境部署。

维护大型 IoT 端点网络可能具有挑战性。虽然固件更新通常可以通过无线方式远程应用，但物理维护（例如更换放电的电池）是劳动密集型且昂贵的：最好通过确保电池包含足够的能量来满足已部署设备对其整个使用寿命的需求来避免这一责任。

随着每一代新IC的连续更新IC都利用先进的工艺技术和创新的电路设计来降低功耗需求，并且日益复杂的应用软件最大限度地利用了省电睡眠模式，因此已经有可能设计出从单个纽扣电池运行十年或更长时间的小型器件。

这可以足够长，以消除在系统使用寿命期间更换电池的需要。然而，有时需要做更多的工作来将整体能源需求降低到使用合适的电池可以满足的水平。

如何为您的物联网系统选择最注重功耗的无线电

在无线传感器或执行器中，无线电子系统通常消耗最多的能量。这里的一些工程，通过技术选择和调整方面，如比特率和占空比，可以显着影响功耗和寿命能源需求。所需的通信范围以及硬件、许可证和任何网络订阅的成本是控制无线电技术选择的关键因素。

图 1 比较了流行的标准化技术。硬件模块、软件和设计诀窍，以帮助基于任何这些技术启动和运行解决方案，这些都是现成的。

图 1.用于物联网应用的流行无线电技术。（图片来源：贝洱科技）

在相对不可改变的范围和成本约束范围内，可以通过无线电技术选择来行使一些选择来影响功耗。图 2 显示了 Zigbee 如何成为短距离和低数据速率连接的最有效选择，而如果需要更高的数据速率，蓝牙可能更有意义。对于更长的愤怒，可用的替代方案更少，功耗的差异也不那么明显。可以通过降低占空比来调整无线电子系统的能量需求;通过捕获较少的传感器数据;或通过在端点内进行预处理以丢弃不需要的信息。

图 2.无线电技术的典型功耗，根据范围和比特率。（图片来源：沃勒系统）

但是，仍然不可能将系统能源需求降低到所需电池可以提供的数量。如果差异很小，可以考虑安装更大的电池。但是，如果供需之间的差异太大，或者由于某种原因更大的电池不切实际，则可以引入收集环境能量的系统。它可以与电池结合使用以弥补不足，或者可以完全消除对电池的需求，从而使设备在现场具有基本上无限的使用寿命。

最佳环境能源

现在可以有效地收集几种环境能量源来为电子电路供电，包括太阳能，使用珀尔帖元件收集的热能以及使用压电器件捕获的动能。

为任何给定应用选择最佳环境能量源取决于几个因素，包括应用的能量需求、可用源以及需要最多能量的时间和间隔。

如图3所示，部署在室外的太阳能电池可以成为收获能量的慷慨来源。但是，传感器可能需要安装在日光很少或部分被阴影覆盖或可能被可移动物体遮挡的位置。在适当的条件下，热电元件从工业过程中收集的热能和使用压电器件从机器振动中收集的动能可以是可行的替代方案（图3）。

图 3.比较能量收集技术的功效。

收获模块的大小 - 无论是太阳能，热电还是压电 - 也需要根据应用限制来考虑。

当环境能量不可用时

无论选择哪种方法，环境能量并不总是以可收获的形式提供。太阳能电池板在黑暗中不能发电，热电或压电元件只能在过程或机器运行时收集能量。

为了克服这一点，能量收集系统通常用于为电池或电容器充电，以便以后在环境能量不可用时使用。需要一个能量收集电源管理IC（EH PMIC）来处理收集系统、储能介质和应用之间的能量流，并为电池的充电和应用提供正确的电源电压。

典型的传统EH PMIC经过优化，可与特定类型的能量收集器配合使用，通常仅提供一个输入。然而，可能需要多种能源来满足大量的总体能源需求。这些可能是几个相同类型的收割机，放置在不同的位置，或者设计人员可能需要从不同的环境源捕获能量。

但是，将多个收割机连接到系统需要单独的EH PMIC或额外的接口电路，从而引入额外的成本和复杂性，增加占地面积并提高功耗。Trameto 获得专利的柔性 EH PMIC 通过允许设计人员将多个能量收集设备直接连接到同一设备来克服这一点（图 4）。

图 4.特拉梅托的多收获、多输入 EH PMIC。

变体提供多达四种能量收集输入，并且可以使用任何收集技术组合。可能最多有四个太阳能电池板，放置在不同的位置或方向，以优化全天的能量收集，多个压电收集器连接到不同的机器或机制，几个热电收集器，或能源的混合物。

结论

能量收集系统可用于增强或更换远程部署的物联网设备中的电池，并节省与电池更换相关的开销。

可以考虑各种收集技术，包括太阳能电池，热电和压电器件，分别用于捕获太阳能，热能和动能。所有这些都有局限性，并且环境能量不能连续可用。可能需要多个单独的单元或各种不同类型的收割机来满足整个系统的能量需求。

使用采用单输入设计的传统EH PMIC很难实现这一点。下一代设备提供了连接多个相同或不同类型的收割机的机会，帮助物联网端点的设计者充分利用环境中可用的能源，从而最大限度地提高经济性和可持续性。

审核编辑：郭婷