能量收集從滿(mǎn)足電源管理需求開(kāi)始

能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)超過(guò)10年了，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由環(huán)境能源供電的系統(tǒng)一直很笨重、復(fù)雜和昂貴。不過(guò)，有些市場(chǎng)已經(jīng)成功地采用了能量收集方法，如交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線(xiàn)醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)。尤其是在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，諸如占位傳感器、自動(dòng)調(diào)溫器甚至光控開(kāi)關(guān)等，以前安裝時(shí)通常使用的電源或控制配線(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)不需要了，取而代之是，它們采用了局部能量收集系統(tǒng)。

能量收集系統(tǒng)的一個(gè)主要應(yīng)用是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)傳感器。為方便說(shuō)明，我們考慮一下美國(guó)能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產(chǎn)的頭號(hào)用戶(hù)，約占總能耗的38%，緊隨其后的是交通運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域，各占總能耗的28%。此外，建筑物可以進(jìn)一步分成商用建筑和民用建筑，在這38%的能耗中，分別分得17%和21%。而民用建筑21%的能耗數(shù)字還可以進(jìn)一步劃分，其中取暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）約占民用建筑總能耗的3/4。目前預(yù)計(jì)，從2003年到2030年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)可以節(jié)省多達(dá)30%的能源（數(shù)據(jù)來(lái)源：“全球能源、科技和氣候政策展望（WETO）”，由歐盟多個(gè)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合撰寫(xiě)）。

類(lèi)似地，一個(gè)采用能量收集方法的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以將一棟大樓中任何數(shù)量的傳感器連接起來(lái)，以在非主要區(qū)域的大樓或房間中沒(méi)人時(shí)，調(diào)節(jié)該區(qū)域的溫度或關(guān)掉該區(qū)域的照明燈，從而降低HVAC和電力費(fèi)用。此外，能量收集電子線(xiàn)路的成本常常低于布設(shè)電源線(xiàn)的成本或更換電池所需的日常維護(hù)成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經(jīng)濟(jì)收益。

不過(guò)，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源，那么很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就失去了優(yōu)勢(shì)。盡管電源管理技術(shù)確實(shí)在持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)使電子電路能在給定電源情況下工作更長(zhǎng)時(shí)間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補(bǔ)充方法。因此，能量收集通過(guò)將局部環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成可用的電能，成為一種給無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法。環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送RF信號(hào)或能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的任何能源。這些能源在我們周?chē)教幎际?，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器（TEG）、面向振動(dòng)的壓電組件、面向太陽(yáng)光（或室內(nèi)照明光）的光伏電池等，可將這些能源轉(zhuǎn)換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產(chǎn)生的電能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用來(lái)自主地給電子組件和系統(tǒng)供電。

現(xiàn)在所有無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)都能以微瓦級(jí)平均功率工作，因此用非傳統(tǒng)電源給它們供電是可行的。這導(dǎo)致了能量收集的出現(xiàn)，在使用電池不方便、不現(xiàn)實(shí)、昂貴或危險(xiǎn)的系統(tǒng)中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補(bǔ)充或代替電池。用收集的能量供電，還可以不再需要導(dǎo)線(xiàn)來(lái)供電或傳送數(shù)據(jù)。此外，工業(yè)過(guò)程、太陽(yáng)能電池板或內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能量也可以收集起來(lái)使用，否則就浪費(fèi)掉了。

能量收集應(yīng)用的問(wèn)題和特性

一個(gè)典型的能量收集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）由4 個(gè)方框組成（參見(jiàn)圖1）。它們是：1）環(huán)境能源；2）換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉(zhuǎn)換電路；3）將該節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)實(shí)世界的檢測(cè)組件和計(jì)算組件（由微處理器或微控制器組成，處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中）；4）由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

環(huán)境能源的例子包括：連接到HVAC管道等發(fā)熱源的熱電發(fā)生器（TEG）或熱電堆；或者連接到諸如窗玻璃等機(jī)械振動(dòng)源的壓電換能器。在熱源情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件（常稱(chēng)為換能器）可將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在存在機(jī)械振動(dòng)或壓力的情況下，壓電器件可用來(lái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由能量收集電路轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數(shù)或測(cè)量值，然后讀數(shù)或測(cè)量值可由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器傳送。

圖1 ：一個(gè)典型的能量收集系統(tǒng)或無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要組成方框圖。

有幾種因素影響無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集系統(tǒng)的功耗特性。表1概述了這些因素。

表1 ：影響無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的因素。

當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時(shí)間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會(huì)遇到低的、可變的和不可預(yù)測(cè)的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器由于其無(wú)限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲(chǔ)存器（一個(gè)電池或一個(gè)電容器）可產(chǎn)生較高的功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒(méi)有可供收集功率的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲(chǔ)存器給WSN供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度而言這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進(jìn)一步增加，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮這樣一個(gè)問(wèn)題“為了對(duì)缺乏環(huán)境能量源的情況下提供補(bǔ)償，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)多少能量?”究竟需要儲(chǔ)存多少能量將取決于諸多因素，包括：