无线传感器节点作为能量收集的关键应用

作者：Tony Armstrong

能量收集背景

在当今环保的地球友好心态中，似乎一切都在走向绿色。能量收集的概念已经存在了十多年;然而，在现实环境中实施环境能源供电系统一直很麻烦、复杂且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市场示例包括交通基础设施、无线医疗设备、胎压传感和楼宇自动化。具体来说，在楼宇自动化系统的情况下，诸如占用传感器、恒温器甚至电灯开关之类的东西已经消除了通常与其安装相关的电源或控制布线，而是使用局部能量收集系统。

建造节能的智能建筑，包括商业和住宅结构，是确保节能结构不会大量使用化石燃料的传统电源的先决条件。

就商业建筑而言，使它们变得智能对于安置在其中的组织至关重要，因为拥有节能和精简的建筑有助于降低能源成本，同时也为其中的工人提供生产环境。然而，达到这一点并非没有其自身的一系列缺点。例如，这些建筑物将需要能够提供必要反馈的基础设施，以实现供暖和制冷系统的高效运行、照明控制和有效的空间利用。这很可能需要使用物联网（IoT）作为监测和控制环境的方法，并将增加他们对替代电源的依赖，以有效管理和控制它们。

智能建筑的物联网趋势

智能建筑将不断改变人们每天开展活动的方式。此外，除了节约能源外，智能建筑还将有助于节省资金。一些物联网智能建筑趋势已经形成，以实现这种转变。

一个很好的例子是预测性维护将如何利用传感器（IoT）和其他硬件设备来获取有关商业建筑及其中所有设备状态的报告。这种反馈将使我们能够在需要时及时有效地安排任何必要的维护时间。预防性维护计划中通常出现的不可预见的问题可以通过使用预测性维护方法来克服。

此外，工人的生产力可能会受到空气质量的不利影响。该领域的行业研究表明，与更传统的建筑物相比，当工人在室内环境质量良好的建筑物中工作时，他们的工作效率提高了 10%。同样，物联网设备可用于测量和检查空气质量，以及使用作为网状网络一部分的各种传感器中的二氧化碳水平。这些设备连接到建筑基础设施的所有区域，从而能够保持环境和其中每个人的健康和生产力。

预计未来的另一个新趋势是在智能建筑中使用物联网支持的应用程序。一个很好的例子是使用热成像技术，使设施管理人员能够检查他们的设备是否超出其工作温度范围。这可以很容易地检测到，从而允许在设备中断其正常运行模式之前进行维护。例如，物联网将改变商业设施管理人员跟踪信息以及测量和收集数据的方式;这包括以前难以到达的难以进入的区域。在建筑物的各个部分安装传感器将跟踪他们过去从未访问过的所有信息。通过使用物联网互连系统，设施管理人员现在可以使用这些系统访问所有相关信息。

物联网将使商业业主拥有能源充足的建筑物成为可能。这影响了建筑物的设计，并使它们具有环保和资源效率。此外，这些智能楼宇管理系统可以从任何地方进行远程管理，从而可以用传感器取代过时的重型建筑设备，这些传感器可以使用振动和温度波动等指标进行控制。显然，这节省了大量的能源和金钱，同时也降低了维护成本。

最后，物联网对建筑物最重要的影响之一是能源效率。传感器网络有助于提供信息，帮助管理人员更有效地控制其资产，同时减少环境中的有害废物。示例包括：

• 使用传感器进行温度控制
• 使用执行器进行暖通空调控制
• 复杂的应用，例如为建筑物提供完整的能源自动化
• 考虑天气预报以节省实时能源成本
• 无线传感器节点：能量收集的关键应用

能量收集系统的一个关键应用是楼宇自动化系统中的无线电传感器。在美国，建筑物是每年能源生产的头号用户，紧随其后的是运输和工业部门。

利用能量收集技术的无线网络可以将建筑物中任意数量的传感器连接在一起，以在建筑物或房间无人居住时调节温度或关闭非必要区域的灯来降低HVAC和电力成本。此外，能量收集电子设备的成本通常低于运行电源线或更换电池所需的日常维护，因此采用收集功率技术显然可以获得经济收益。

然而，如果每个节点都需要自己的外部电源，无线传感器网络的许多优势就会消失。尽管正在进行的电源管理发展使电子电路能够在给定电源下运行更长时间，但这有其局限性，而功率能量收集提供了一种补充方法。因此，能量收集是一种通过将本地环境能量转换为可用电能来为无线传感器节点供电的方法。环境能量源包括光、热差、机械振动、传输的射频信号或任何可以通过换能器产生电荷的源。这些能源就在我们身边，它们可以通过使用合适的传感器转换为电能，例如用于温差的热电发电机（TEG），用于振动的压电元件，用于阳光（或室内照明）的光伏电池，甚至来自水分的电流能。这些所谓的“免费”能源可用于自主为电子元件和系统供电。

由于完全无线传感器节点现在能够以微瓦级的平均功率水平运行，因此从非传统来源为其供电是可行的。这导致了能量收集，在电池使用不方便、不切实际、昂贵或危险的系统中提供充电、补充或更换电池的电力。它还可以消除对电线传输电力或传输数据的需求。

典型的能量收集配置或无线传感器节点（WSN）由四个模块组成，如图1所示。这些是：

• 环境能源
• 传感器元件和电源转换电路，用于为下游电子设备供电
• 将节点连接到物理世界的传感组件，以及由微处理器或微控制器组成的计算组件，用于处理测量数据并将其存储在存储器中
• 由短程无线电组成的通信组件，用于与相邻节点和外部世界进行无线通信。

环境能源的例子包括连接到发热源（如HVAC管道）的TEG（或热电堆），或连接到振动机械源（如窗玻璃）的压电换能器。在热源的情况下，紧凑的热电装置可以将微小的温差转换为电能。在存在机械振动或应变的情况下，可以使用压电装置将其转换为电能。

一旦产生电能，就可以通过能量收集电路将其转换并修改为合适的形式，为下游电子设备供电。因此，微处理器可以唤醒传感器进行读数或测量，然后可以通过模数转换器（ADC）进行操作，以便通过超低功耗无线收发器进行传输。

图1.典型能量收集系统的主要模块。

当然，能量收集源提供的能量取决于能量源运行的时间。因此，比较清除源的主要指标是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常受到低、可变和不可预测的可用功率水平的影响，因此经常使用与收集器和辅助电源存储接口的混合结构。收割机由于其无限的能量供应和功率不足，是系统的能源。辅助电源存储，无论是电池还是电容器，产生更高的输出功率，但存储的能量更少，在需要时供电，但定期从收割机接收电荷。因此，在没有环境能量从中获取电力的情况下，必须使用辅助电源为WSN供电。

成功设计完全独立的无线传感器系统需要现成的节能微控制器和换能器，这些微控制器和换能器在低能耗环境中消耗的电能最少。这种能量收集器模块的现有实现如图1所示。这些通常由低性能的分立配置组成，通常包含 30 个或更多组件。这种设计具有低转换效率和高静态电流。这些缺陷会导致终端系统的性能下降。考虑一下，由于高静态电流限制了能量收集源的输出有多低，系统必须首先克服自身运行所需的电流水平，然后才能向输出提供任何多余的功率。

能量收集示例

图 2 示出了基于 LTC3109 的能量收集系统示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 转换器和电源管理器，能够从极低的输入电压源（如 TEG、热电堆甚至小型太阳能电池）收集和管理剩余能量。使用自极性拓扑使其能够从低至30 mV的输入源工作，无论极性如何。

图2.LTC3109的典型应用原理图。

图 2 中的电路使用两个紧凑的升压变压器来升压 LTC3109 的输入电压源，从而为无线检测和数据采集提供一个完整的电源管理解决方案。它可以收集微小的温差并产生系统电力，而不是使用传统的电池电源。

每个变压器的次级绕组上产生的交流电压利用一个外部充电泵电容器和 LTC3109 内部的整流器进行升压和整流。该整流器电路将电流馈入VAUX引脚，为外部VAUX电容器提供电荷，然后向其他输出提供电荷。内部2.2 V LDO稳压器可支持低功耗处理器或其他低功耗IC。

由于模拟开关模式电源设计专业知识在全球范围内供不应求，因此很难设计出用于绿色建筑的有效能量收集系统。主要障碍之一是与远程无线传感相关的电源管理方面。然而，能量收集组件可以从几乎任何热源中提取能量，从而使系统设计人员能够使用能量收集的电源。这不仅减少了化石燃料的使用，还有助于为当代和后代创造一个更环保的建筑环境。