如果它不是機(jī)器人或機(jī)床，那么您的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目很可能是（或包含）遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。它可能會(huì)使用小型電池為自己供電。理想情況下，物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中能量收集的目標(biāo)是完全消除電池。更有可能的是，能源將被要求補(bǔ)充電池的輸出；使其使用時(shí)間更長(zhǎng)。因此，能量收集的發(fā)展有兩個(gè)重點(diǎn)：一方面，我們正在研究能量轉(zhuǎn)換本身（不是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但它不會(huì)很快離開(kāi)我們）。另一方面，我們正在研究超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)組件，其納安級(jí)功耗對(duì)電池壽命的影響最小。

具有諷刺意味的是，一些遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)被稱為“能量收集器”（公司產(chǎn)品文獻(xiàn)中的“EH”）。他們使用以最小電流運(yùn)行的組件，例如以每 MHz 微安運(yùn)行的微控制器。EH 開(kāi)發(fā)套件的宣傳主題不是將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用直流電壓的技術(shù)，而是系統(tǒng)組件——傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié) IC、微功率控制器和通信端口——其超低功耗使電池實(shí)際上過(guò)時(shí)的。

事實(shí)是，能量收集技術(shù)實(shí)際上仍處于起步階段，盡管有幾種不斷發(fā)展的技術(shù)：例如，光伏電池板可用于大規(guī)模電力轉(zhuǎn)換。目前，屋頂太陽(yáng)能電池板可以轉(zhuǎn)換足夠的能量來(lái)為家庭或辦公室供電。但大規(guī)模儲(chǔ)能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。電容式存儲(chǔ)系統(tǒng)——有些像自卸卡車(chē)一樣大——提供可用的長(zhǎng)期能量存儲(chǔ)，但對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)（嵌入式）來(lái)說(shuō)，它們幾乎不便攜。

能量收集技術(shù)仍然是能量收集傳感器尺寸的關(guān)鍵。高功率系統(tǒng)依賴于更大的能量轉(zhuǎn)換器：太陽(yáng)能電池每平方厘米提供 100 mW 的功率——這個(gè)正方形足以為袖珍計(jì)算器供電。但是你可以通過(guò)收獲收集的能量從那里開(kāi)始下降。熱梯度采集器每平方厘米提供 10 mW；振動(dòng)（壓電）每平方提供 100 微瓦 （100μW）。射頻 （RF） 能量收集器——似乎很受歡迎，因?yàn)橐占哪芰刻嗔恕科椒嚼迕桩a(chǎn)生 0.1 μW（100 皮瓦）。

能量收集技術(shù) 雖然不是特別高，但環(huán)境能量轉(zhuǎn)換器的效率取決于它們運(yùn)行的環(huán)境。完全荒謬的是，雖然可以（使用染料升華技術(shù)，DSSC）調(diào)整太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器對(duì)室內(nèi)照明波長(zhǎng)的靈敏度，但您不會(huì)從鎖定在室內(nèi)壁櫥中的太陽(yáng)能電池中獲取太多能量，例如熒光管發(fā)出的那些（約 600 nm）。

壓電設(shè)備（不同金屬的“三明治”）可以通過(guò)機(jī)械變形產(chǎn)生可用電壓，但與傳感器的面積和變形相比，所收集的電力仍然非常小。你可以用鞋子里的壓電設(shè)備產(chǎn)生的能量給手機(jī)電池充電，但這是一個(gè)星期的努力。

據(jù)英國(guó)博爾頓大學(xué)的研究人員稱，壓電纖維可以制造發(fā)電織物。

熱梯度是一種不同類型的“三明治”，它聲稱具有高轉(zhuǎn)換效率和高輸出。它使用塞貝克效應(yīng)，將半導(dǎo)體夾在熱板和冷板之間。雖然倡導(dǎo)者聲稱轉(zhuǎn)換效率很高，但收集的電量是冷熱板的函數(shù)——它們的大小以及冷熱金屬之間的溫差。差值越大，可用電能的量就越大。但是這種類型的能量轉(zhuǎn)換在溫差很大的地方效果最好——比如加拿大北極地區(qū)的熱板。

壓電能量收集器的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)組件和振動(dòng)監(jiān)視器。無(wú)線 HVAC 傳感器和移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤在制造商的產(chǎn)品文獻(xiàn)中被確定為可行的傳感器；壓電設(shè)備似乎更適合感測(cè)機(jī)械力和變形，而不是氣體條件（如溫度和濕度）。

智能建筑應(yīng)用 智能建筑 的能量收集器主要是 HVAC 傳感器，用于監(jiān)控會(huì)議室的占用情況（紅外功能）以及空氣溫度、濕度和二氧化碳含量。其他智能建筑傳感器監(jiān)控照明（包括窗戶燈、房間燈和窗簾控制）。安全傳感器查看非法房間占用和入侵。公用事業(yè)監(jiān)控執(zhí)行抄表和電力使用的非高峰控制。提供“平臺(tái)即服務(wù)”（PaaS） 的 EH 系統(tǒng)與云服務(wù)交互，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)通信。

郵箱功能（如設(shè)備服務(wù)標(biāo)簽）與微控制器配合使用。對(duì)于數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，EH 模塊將支持冷凍食品運(yùn)輸?shù)睦滏湑r(shí)間和溫度監(jiān)測(cè)。醫(yī)療應(yīng)用包括智能貼片，其中傳感器查看血糖、體溫、濕度、pH 值和氧氣。（例如，德州儀器公司的 Web 上提供了氣體檢測(cè)器參考設(shè)計(jì)。）

另一個(gè)有趣的趨勢(shì)是使用需要降低功耗的微型嵌入式電池。與 Cymbet 生產(chǎn)的硅電池一樣，硅電池將從各種來(lái)源進(jìn)行電路充電（見(jiàn)圖2）。

圖 2：零功率傳感器可以從幾乎任何環(huán)境中獲取能量。能源包括光、振動(dòng)、流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、壓力、磁場(chǎng)和射頻。

保持小 作為一項(xiàng)技術(shù)發(fā)展，模擬半導(dǎo)體制造商已將研發(fā)精力放在超低功率半導(dǎo)體上，而不是太陽(yáng)能電池或特殊調(diào)諧的振動(dòng)傳感器上。可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)（包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）、移動(dòng)傳感器（如氣體檢測(cè)器）和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器需要小型（甚至微觀）能量轉(zhuǎn)換器，而不是使用像火車(chē)車(chē)一樣大的采集器。

因此，半導(dǎo)體制造商在其數(shù)據(jù)表和白皮書(shū)中發(fā)布的建議強(qiáng)調(diào)超低功耗。Analog Devices 的 LTC3588、Maxim 的 MAX17710 或 Texas Instruments 的 bq25504 等信號(hào)調(diào)理 IC 強(qiáng)調(diào)超低電流消耗，即使在多個(gè)混合負(fù)載下也是如此。例如，3588 的文獻(xiàn)表明它針對(duì)壓電輸入進(jìn)行了優(yōu)化，盡管它們的高阻抗可以與多種能源一起使用。3588 本質(zhì)上是一款具有 450nA 靜態(tài)電流的低功率 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。它將接受 2.7 V 至 28 V 的輸入，輸出低至 1.8 V — 壓降不超過(guò) 400 mV。

Maxim 聲稱其 MAX17710 將管理輸出電平范圍為 1 μW 至 100 mW 的調(diào)節(jié)不佳的電源。該設(shè)備可以從各種能量轉(zhuǎn)換源提供超過(guò) 20 mA 的電流。同樣，TI 的 BQ25504 本質(zhì)上是一種超低功耗、高效率 DC-DC，可從低輸入源（例如 80 mV）提供連續(xù)能量收集。其靜態(tài)電流小于 330 nA。

EH 處理器 MCU 功耗規(guī)范同樣側(cè)重于超低功耗應(yīng)用。從技術(shù)上講，功耗是消耗的電流（微安或納安）乘以產(chǎn)生的電壓（通常以毫伏為單位）的組合。在能量收集器的接收端，該數(shù)字可能以微伏為單位。

常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是最小化用于激活節(jié)點(diǎn)的設(shè)備的尺寸和電流消耗，但這足以為嵌入式電池和/或各種低功耗組件充電。

ARM Cortex M的各種變體宣揚(yáng)其看似無(wú)窮小的功耗：例如，Atmel 32位ARM Cor皮質(zhì)M0+在主動(dòng)處理模式下的功耗為35μA/MHz。處理器在睡眠模式下總共消耗200 nA。Ars Technica說(shuō)，如果我們談?wù)摰氖潜３蛛姵貕勖@種微控制器的低功耗將使這種能力不僅持續(xù)數(shù)年，而且持續(xù)數(shù)十年。

另一個(gè)例子，賽普拉斯半導(dǎo)體的無(wú)線傳感器能量收集 PMIC 具有長(zhǎng)間隔中斷定時(shí)器模式，可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。它與賽普拉斯 PSoC 等低功耗微控制器一起運(yùn)行。

Texas Instruments 自己的 ARM Cortex M 版本 MSP432 擁有 80μA/MHz 的有效電流消耗和 660nA 的待機(jī)電流消耗。

當(dāng)然，TI 在有關(guān)微控制器功耗的教程中建議，實(shí)際處理器功耗反映了幾個(gè)不同操作階段的聚合。這些將包括活動(dòng)和睡眠模式。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，微控制器可能在其生命周期的大部分時(shí)間里處于休眠狀態(tài)。睡眠模式功耗可能是更有用的規(guī)范，而不是對(duì)多 MHz 時(shí)鐘的響應(yīng)。

因此，延長(zhǎng)電池壽命似乎完全取決于睡眠和活動(dòng)時(shí)間的比例。TI 建議微控制器功耗“不是一個(gè)數(shù)字”。

審核編輯：郭婷