自供电物联网设备的环境能源

物联网 （IoT） 正在快速增长，已经部署了数十亿台微型设备，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，有时会以很小的方式影响环境，以寻求改善生活的方面，例如可持续性，安全性和业务绩效。

单个物联网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，例如大型农场、工业场所、城市，甚至跨境部署。

维护大型物联网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，但更换放电电池等物理维护是劳动密集型且昂贵的：最好避免这种责任，确保电池包含足够的能量来满足部署设备在其整个使用寿命内的需求。

随着每一代新IC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节能休眠模式，因此可以从单个纽扣电池设计出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任何需要。然而，有时需要做更多的工作，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节能的无线电

在无线传感器或执行器中，无线电子系统通常消耗的能量最多。这里的一些工程，通过技术选择和调整比特率和占空比等方面，可以显著影响功耗和寿命能量需求。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决定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、软件和设计知识都可以随时获得，以帮助基于这些技术启动和运行解决方案。

图1.物联网应用的流行无线电技术。

在范围和成本相对不变的约束下，可以通过无线电技术选择来选择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;通过捕获更少的传感器数据;或者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，取决于范围和比特率。

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，如果供需差异太大，或者由于某种原因较大的电池不切实际，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，或者完全不需要电池，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源取决于几个因素，包括应用的能源需求、可用的能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大量收集能量的来源。但是，传感器可能需要安装在接收很少的日光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能是可行的替代方案（图 3）。

图3.比较能量收集技术的功效。

收集模块的尺寸 - 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，环境能源并不总是以可收集的形式提供。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。

为了克服这个问题，能量收集系统通常用于为电池或电容器充电，以便在环境能量不可用时使用。需要能量收集电源管理IC（EH PMIC）来处理收集系统、储能介质和应用之间的能量流动，并为电池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，可能需要多种来源来满足大量的整体能源需求。这些可能是放置在不同位置的相同类型的几个收割机，或者设计人员可能需要从不同的环境源捕获能量。

但是，将多台收割机连接到系统需要单独的EH PMIC或每个收割机的额外接口电路，从而带来额外的成本和复杂性，增加占用空间并增加功耗。Trameto 获得专利的灵活 EH PMIC 通过让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问题（图 4）。

图4.Trameto 的多收割、多输入 EH PMIC。

提供多达四个能量收集输入的变体，并且可以使用收集技术的任意组合。可能有多达四个太阳能电池板，放置在不同的位置或方向，以优化全天的能量收集，连接到不同机器或机构的多个压电收集器，几个热电收集器或能源混合物。

结论

能量收集系统可用于在远程部署的物联网设备中增加或更换电池，并节省与更换电池相关的开销。

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，并且环境能量无法连续获得。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源需求。

使用采用单一输入设计的传统EH PMIC很难实现这一点。下一代设备提供了连接相同或不同类型的多个收割机的机会，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