能量采集器件取代物聯網傳感器電池

　　發電元件

　　太陽能電池、壓電元件和熱電元件所產生的電能、輸出電壓和產生環境如圖3所示。每種元件產生的電能根據其尺寸和產生環境的不同而變化。將其集成到設備中時，需要全面了解以下情況：

　　● 可以獲得何種能源;

　　● 設備適合安裝何種尺寸的元件;

　　● 在設備中電能的產生與消耗之間會存在怎樣的平衡。

　　還需要選擇一個與發電元件相匹配的電源IC。特別是發電元件輸出的電壓/電流/輸出特性(AC或DC)將根據元件的不同而變化，因而有必要選擇一個能提供最佳效果的電源IC。

　　無線電源需求

　　與發電元件相同，無線傳感器網絡終端的無線通信方式的選擇，也必須與其傳輸目的相匹配。需考慮的主要方面包括通信距離、將要搭建的網絡類型、數據傳輸量、應用及功耗。在與能量采集技術結合使用時，關注的重點是低功耗，因此可選用的無線技術有EnOcean、ZigBee和藍牙低功耗(BLE)。

　　平衡產生與消耗

　　在使用能量采集技術時，需要考慮的一個重點是，努力達到電能產生與消耗的平衡。這是因為如果電能的產生小于消耗，設備將無法工作。盡管發電元件的發電特性在逐年提高，但還是很難為現有條件下的設備持續提供足夠的電力。解決該問題的一個方法是將產生的電力收集到電容中，并間歇性地執行傳感器操作，從而平衡電力的產生和消耗。

　　為此，設計人員需要準確了解發電元件的發電環境、所產生的電能及其所需時間，以及設備的功耗和耗電時間。

　　能量采集開發工具

　　為了平衡電能的產生與消耗，設計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電能采集時間和可用的電負荷等因素，從而確定電容器的最佳尺寸。即使在可以準確估算出電能產生和消耗的情況下，該操作也需要反復試驗。此外，當電能產生和消耗的估算不準時，必須計算出每種情況下的最優值，或與實際設備進行確認。Spansion公司開發出的網絡工具Easy DesignSim可以讓任何人輕松地計算和研究能量采集技術，只需簡單的注冊便可使用。

　　從頭開始進行前面描述的開發和調查將具有相當的挑戰性。能量采集入門套件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡化和加速使用能量采集技術的無線傳感器終端的開發。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對低功耗優化的原始協議。希望替代ZigBee和藍牙等低功耗無線協議的設計人員只需將射頻器件更換為相應的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個內置Spansion ARM Cortex-M3內核的FM3 MCU，因此用在ARM開發環境中時，可以實現各種定制化特性。

　　另一款入門套件利用能量采集技術驅動BLE信標，讓嵌入式設計人員能夠進行調研。太陽能電池或壓電元件可以連接起來作為發電元件，該套件還可以使用交流輸入、USB供電或天線連接的無線電源。

　　使用能量采集電源IC的實際設備的開發工作，在許多地區和應用領域都取得了進展。在某些情況下，能量采集技術催生了無電池的無線傳感器終端。而在其他情況下，同時采用電池和能量采集技術，可以延長電池的壽命。這樣，采用能量采集技術的無線傳感器終端獲得了加速發展。在未來的幾年中，擁有該技術的無線傳感器終端將隨處可見。為能量采集而設計的電源管理IC以及低功耗MCU將不斷推動物聯網的發展。