從以太中提取能量并為輕便系統(tǒng)供電的采集器

　要 點
　　熱、振動和射頻都是潛在的能源，采集器可以將它們轉(zhuǎn)換到微瓦功率量級。
　　采集器通常要儲存能量供偶發(fā)性使用，設(shè)計時必須在能夠偶爾工作的低功耗系統(tǒng)中包含這一部分。
　　設(shè)計通常要將能量采集與可以利用偶發(fā)低功耗源優(yōu)點的應用聯(lián)系起來。

　　世上沒有免費的午餐，你的父母可能是這么教你的。當然，我們不可能從稀薄的空氣中取得能量，是嗎？但事實上，人體、工廠機器、各種型號的收音機，以及很多其它東西都在以熱、振動或射頻電波形式輻射能量。設(shè)計者可以發(fā)明一些系統(tǒng)，提取這些零星的能量，并轉(zhuǎn)換用于電源系統(tǒng)，當然是極低功率的產(chǎn)品。你不會很快看到由以太供電的手機，但可能的現(xiàn)實應用包括便攜醫(yī)療監(jiān)控儀，甚至家庭自動化設(shè)備。

　　能量采集或提取并不僅是為了節(jié)省金錢，它還能促進有吸引力的新應用。技術(shù)行業(yè)中有遠見的人有時會談到一個時代，那時我們的生活到處都嵌入了微處理器。借用德州儀器公司（TI）首席研究員 Gene Frantz 在我們 50 周年紀念刊上的一段話：“差不多可以說我們正處在產(chǎn)品消失的道路上，那時產(chǎn)品將變得如此之小，體積已經(jīng)無足輕重，但是功能卻非常強大，我們實際上不知道它在哪里，而只知道擁

有它。”很容易想象，很多這類基于微處理器的裝置在我們身邊，以及在智能電燈開關(guān)或溫度計內(nèi)。

　　可以認為，微控制器已經(jīng)滲入了我們的生活。Microchip 首席執(zhí)行官 Steve Sanghi 認為：“當你早上醒來，你接觸的第一件東西就是鬧鐘，然后可能是電動剃須刀、吹風機、攪拌機、冰箱……當你離開家時，你已經(jīng)使用了大量微控制器。然后你坐進汽車里，車上有40種 ~ 50種微控制器，為你增加安全、舒適、便利和娛樂。”Sanghi 指出，微控制器監(jiān)控著高速公路交通，而在工作中，我們還會面對無數(shù)其它設(shè)備。

　　今天，一個交流電源或電池可以方便地為所有這些設(shè)備提供電能。但下一步，當處理器嵌入到紡織品、墻面、橋梁等所有地方時，就需要電池的一種替代品，或者至少要有一種共生技術(shù)，它可以從以太中為電池充電，從而大大擴展電池的使用壽命。答案就是本文討論的能量采集器，或某種新式小型燃料發(fā)電機（見附文“芯片上有引擎嗎？”）。

　　正如 TI 公司 Frantz 所指出，采集能量并不新鮮。太陽能是一個已經(jīng)實現(xiàn)了許多年的例子。Franz 說 TI 的太陽能手表和計算器已有很長歷史。這些產(chǎn)品使用的電池可以用太陽能板進行充電。精工(Seiko)還銷售一種手表，它通過人體熱能供電。

　　還有一些制造商提供的使能技術(shù)實例，設(shè)計者能夠以某種方式獲取能量。從參考文獻1中可以找到過去的技術(shù)報道和一些產(chǎn)品實例，例如，本文便涉及EnOcean的兩款產(chǎn)品，它們可以用于家庭或建筑自動化設(shè)備。

　　EnOcean提供一種開關(guān)，主要用于照明控制，不過也可以用于控制電動窗簾、風扇，或其它在家庭或辦公室內(nèi)有墻面開關(guān)的設(shè)備。基本產(chǎn)品是ECO 100模塊，公司稱之為一個“電動力”采集器。該模塊采用一個線圈和磁鐵，兩者共同將線性運動轉(zhuǎn)換為能量。尤其特別的是，一個人按開關(guān)的動作就會產(chǎn)生一個突變的能量，因為螺線管會改變流經(jīng)線圈的磁通量。公司以前為相同應用提供過一種壓電式采集器，但稱新設(shè)計效率更高。

　　EnOcean 將 ECO 100 捆綁在 PTM 200 開關(guān)模塊內(nèi)，公司正在照明和其它應用中銷售該產(chǎn)品。當你按下照明開關(guān)時（圖2），采集器產(chǎn)生足夠的能量，激活 PTM 200 上的一個處理器和無線電，然后向接收器發(fā)送三個短的重復消息包。你可以將接收器集成在照明裝置中，而過去你會用電線連接交流電源和照明裝置。墻面開關(guān)既不需要接線，也不需要電池。接收器使用交流電源工作。

　　EnOcean 的銷售與營銷副總裁 Jim O'allaghan 稱，與照明控制中的其它多數(shù)嘗試不同，采集器方案具有經(jīng)濟意義，盡管一個開關(guān)的設(shè)計遠比普通直接切換交流電源的墻面開關(guān)復雜。O'allaghan 稱，因為不必往開關(guān)布放交流電線，這樣節(jié)省的費用將能抵銷開關(guān)和集成在裝置中接收器的較高成本。

　　O'allaghan 說，PTM200的售價根據(jù)批量從10美元~20美元，完成的照明開關(guān)大約要50美元（單件）。你可以從 Ad Hoc Electronics 公司購買家用開關(guān)。Ad Hoc 的網(wǎng)站價格包括了開關(guān)和接收器模塊，模塊中帶有一個繼電器，用于切換交流電源，小批量價格大約是120美元。O'allaghan 稱EnOcean在一個商用場所就已經(jīng)銷售了3000支~4000支開關(guān)。

　　你可以從技術(shù)角度說，EnOcean 的開關(guān)產(chǎn)品不是真正的采集器，因為它并不采集雜散能量。但它確實能夠憑空完成工作。該公司正在開發(fā)太陽能產(chǎn)品和熱能產(chǎn)品。參考文獻 1 詳細討論了太陽能產(chǎn)品，它可以在建筑內(nèi)的恒溫器中找到自己的用途。這種產(chǎn)品可以采集白熾光源和熒光光源的能量，并有兩種能量儲存形式，即使長期熄燈情況下也可以運行。 　　熱能采集器的制造商利用了 Seebeck 效應的優(yōu)點，熱電偶通過冷、熱極板的溫差而發(fā)電。EnOcean 最近在德國慕尼黑舉辦的 Electronica 展會上演示了這種熱能采集器。演示相對比較簡單。在一個演示過程中，一個人將一只手指放在極板上，產(chǎn)生能激活處理器的溫差，然后將一個溫度讀數(shù)傳送給連接在筆記本電腦上的接收器。第二次演示則利用了一個杯中液體溫度與周圍空氣溫度之間的溫差來產(chǎn)生能量。

　　但是，EnOcean 的熱能采集器也是采能市場上某些障礙的一個良好例子。EnOcean 的業(yè)務是設(shè)計使能技術(shù)。它正在尋找具有能激發(fā)對終端設(shè)備興趣將技術(shù)推向市場的好思路的合作伙伴。現(xiàn)在，熱能采集器正在等待著這樣的合作伙伴。
當然，也許廣泛部署的最大障礙就是更高效和更低成本的采集技術(shù)。很多學校和研發(fā)機構(gòu)都正在從各個角度研究這個問題。荷蘭埃因霍溫的 Holst 中心可能是能量采集技術(shù)的領(lǐng)跑者。研究巨頭 IMEC（比利時 Leuven 的院校間微電子中心）與Dutch研究所 TNO（荷蘭機構(gòu)）在 2005 年共同建立了 Holst 中心。在 Holst，無線自主換能器解決方案是一個重要的計劃，它就包括了能量采集。Holst 中心正在研究熱、振動和 RF 方案。