“無中生有” 的免費能源

我相信，大多數人都記得英國搖滾樂隊“Dire Straight”的單曲“Money for Nothing (金錢無用)”，不過有多少人曾經想到過，有一天“金錢無用”也能適用于能量收集! 免費能源如同“無中生有”，所以在能量收集領域，“金錢無用”了。確實，有些人也許會認為，這么說有點兒夸張，不過事實仍然是，能量收集就是重新使用某種能源，而這種能源是另一種活動的副產品，就是用這種能源給自主工作的無線傳感器節點 (WSN) 供電。對于不熟悉無線傳感器節點的人來說，可以這樣理解，無線傳感器節點本質上是一種自含式系統，其中包括某種換能器，以將環境能源轉換成電信號，換能器后面通常跟隨的是 DC/DC 轉換器和管理器，以利用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件由微控制器、傳感器和收發器組成。

如果要采用一個或多個無線傳感器節點，那么有一個問題需要好好考慮就是“要讓這個或這些無線傳感器節點工作，需要多少功率?”從概念上看，這個問題似乎相當簡單，不過現實情況是，有幾個因素導致這個問題有點兒難以回答。例如，多長時間需要獲取一次讀數?或者，更重要的是，數據包多大? 需要發送多遠? 問這些問題的原因是，就獲取一次傳感器讀數而言，收發器消耗的能量大約占整個系統的 50%。有幾種因素會影響無線傳感器節點能量收集系統的功耗特性，這些因素如表 1 所述。

表 1：影響無線傳感器節點功耗的因素

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于運作狀態的時間長度。因此，比較環境采集能量源的主要度量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常遇到的是低、易變和不可預知的可用功率等級，因而采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。能量收集器因其不受限制的能量供應和功率方面的欠缺而成為系統的能量源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，而在除此之外的其他情況下則定期從收集器接收電荷。因此，在沒有環境能量可供采集的情況下，就必須采用輔助電能儲存器來給 WSN 供電。當然，從系統設計人員的角度來看，這將使設計的復雜程度進一步增加，原因是他們現在不得不考慮這樣一個問題，即“為了補償環境能量源的缺失，輔助電能儲存器中必須存儲多少能量呢?”他們需要儲存多少能量，取決于幾個因素，這包括：

(1) 環境能源不存在的時間長度

(2) 無線傳感器節點的占空比 (即必須進行數據讀取和發送的頻度)

(3) 輔助電能儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的尺寸和類型

(4) 環境能量是否充足? 既可充當主能源，又有充足的剩余能量給輔助電能儲存器充電，以在某些沒有環境能源可用的特定時段供電

最新和現成有售的能量收集產品 (例如：振動能量收集和室內光伏產品) 在典型工作條件下能產生毫瓦量級的功率。盡管這一量級的功率看似用途有限，但多年來能量收集組件的運行意味著，在能量提供和每能量單位的成本上，能量收集產品的技術與長壽命的主電池大致上是可相比。此外，采用能量收集技術的系統一般在電量耗盡后能再充電，而主電池供電的系統是無法做到這一點。

環境能源包括光、熱差、振動波束、發送的 RF 信號，或者其他任何能通過換能器產生電荷的能源。表 2 說明了不同能源可產生的能量大小。

表 2：能源及其能產生的能量大小

要成功地設計一個完整的自含式無線傳感器系統，要求可方便地買到的節能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器要靠環境提供的很低能量工作，因此要最大限度地降低所消耗的電能。幸運的是，低成本、低功耗的傳感器和微控制器已經上市幾年了，不過，直到最近，商用超低功率收發器才普及起來。

由于模擬開關模式電源設計專長在全球都短缺，設計一個如圖 1 所示有效的能量收集系統一直很難。主要問題存在于與遠程無線檢測有關的電源管理方面。不過，幸運的是，凌力爾特等公司已經推出了種類繁多的能量收集 IC，這些 IC 為無線傳感器節點的電源轉換及系統管理的設計提供了方便。這些器件可以從幾乎任何光源、熱源或機械振動源抽取能量。此外，這些器件提供全面的功能且在設計中易于使用，所以極大地簡化了在能量收集鏈中難以應對的電源轉換設計環節。這些器件的推出對無線傳感器節點設計師來說是個好消息，因為這些器件具有高集成度，包括了電源管理控制功能，并使用現成有售的外部組件，從而成為最小、最簡單和最易于使用的解決方案。

最后，盡管可以從無數的環境能源免費獲得功率，但是系統設計師和系統規劃師必須從一開始就優先考慮其電源管理系統的具體需求，以確保高效地完成設計，并成功地進行長期部署。