物聯(lián)網(wǎng)依賴于在正確的時間以正確的格式，這就是為什么能量收集無線傳感器是特殊利益的獲得良好的質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)，馬蒂亞斯寫道。

能量收集無線傳感器已經(jīng)引發(fā)了急劇上升的興趣，因為它們代表，提供在其上的東西，整個互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）模型依賴的基本輸入數(shù)據(jù)的可靠和易于安裝的技術。創(chuàng)建處理的基本數(shù)據(jù)的采集，處理和傳輸與可以從環(huán)境中收集的最小能量的傳感器節(jié)點是一個挑戰(zhàn)。

在索特ecoUnit無線室操作單元，溫度傳感器供電的太陽能電池，使增加的舒適性與顯著降低了能耗。

有在能量收集無線傳感器三個關鍵的任務：產(chǎn)生（收獲）所需的能量，傳感和處理環(huán)境參數(shù)（溫度，濕度，位置），并以無線方式發(fā)送所收集的信息。所有三個任務需要優(yōu)化在一起以提供可行的解決辦法。

高能效的系統(tǒng)設計

能量通過的IoT傳感器收集的最常見的形式是動能，太陽能和熱（見方框?qū)γ妫?/p>

所有三個收集技術提供相對少量的能量（通常在微安范圍）。功耗優(yōu)化的系統(tǒng)設計因此，必須使基于這些能源的無線傳感器。

三個主要任務定義一個無線傳感器節(jié)點的功率預算 - 傳感器測量，無線傳輸和空閑（不活動）狀態(tài)。系統(tǒng)的設計必須平衡能量收獲與這些任務的電力需求。

這種平衡可以建立在兩個方向 - 為系統(tǒng)的功能（以及因此所需的功率）被固定，收割機被縮放，或收割機的能量輸送是固定的，該系統(tǒng)的功能需要進行優(yōu)化。第二種情況是比較常見的一種。

為了說明的要求，考慮一個太陽能為主房間控制單元的情況下。它的主要任務是測量溫度和濕度在一個房間里，并與用戶定義的設定點比較（通常目標溫度而已，有時也目標濕度）。

可用能量預算由可用大小的太陽能電池（例如5平方厘米）和期望的最小照度級（200LUX六小時）的限制。

考慮標準室內(nèi)太陽能電池的典型的性能，這意味著我們需要設計傳感器系統(tǒng)消耗小于1μA平均電流。

為簡單起見，我們將隨后的基礎上計算該電源電壓被固定到3V的假設下平均電流。為了評估的功能界限，我們將首先分配的可用能量同樣在提供有關的檢測，無線傳輸和睡眠/功耗平均電流300nA的每一個的三個主要任務。

在這篇文章中所描述的功能已經(jīng)在EnOcean公司STM 330能量采集溫度傳感器，可擴展的HSM 100濕度傳感器得到落實。

一個優(yōu)化的溫度和濕度檢測實施將需要約1毫安電流等效為一個周期為10ms的用于傳感器操作，（通過I2C或類似總線）和初始數(shù)據(jù)處理傳感器和處理器之間的數(shù)據(jù)交換。然后，我們可以通過每天的可用能量（300nA的x 86.4s）與每次測量（1毫安x 10ms）的所需要的能量進行比較計算，每天測量的最大數(shù)量，發(fā)現(xiàn)初始能量預算將允許每天2，592測量。

考慮到溫度和濕度的變化非常緩慢，我們需要節(jié)約能源，我們設定每分鐘測量一次（1，440每天）的速度。

移動到無線電傳輸，我們假設為25mA格式化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄娏髟诹?25kBit / s的速率。根據(jù)現(xiàn)有的功率預算和我們計算每天的總可能的傳輸時間，這相當于剛剛超過一秒鐘（或125000比特/ 15625字節(jié)）每天所需的傳輸電流。

關于把這個給測量可能的數(shù)量，我們可以找出能量收集無線傳感器的一個關鍵制約因素 - 無線協(xié)議必須為最小尺寸進行優(yōu)化。我們需要限制總報文長度10字節(jié)以便發(fā)送每個測量結果在一個無線報文。

從此，很明顯，無論是無線電協(xié)議和傳輸量需要進行優(yōu)化。

能源優(yōu)化方案

與傳感器相關聯(lián)的有效載荷通常是小的（幾個字節(jié)），因此一個優(yōu)化的協(xié)議必須限制傳輸開銷（幀控制，前導碼，同步，誤差檢查），同時保持高可靠性的通信盡可能地。

標準的IP協(xié)議（UDP通過IPv6）需要超過50個字節(jié)的開銷;因此，通常本地IPv6通信是不可能在能量收集傳感器應用。優(yōu)化的ISO / IEC 14543-3-1X協(xié)議的功率，與此相反，只需要12總共為傳感器數(shù)據(jù)的1個字節(jié)的傳輸字節(jié)。使用這樣的協(xié)議結合智能傳輸策略（的顯著改變傳輸只）使得即使使用冗余子報文，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

盡量減少損失的睡眠

能量收集無線傳感器必須是超低功耗的睡眠狀態(tài)的時間超過99.99％。最小化功率消耗在該狀態(tài)下，因此絕對必要的。

考慮到我們的設計例子，我們有300nA的總預算，需要支付到期的能量儲存到泄漏在睡眠模式下處理器消耗（以能力為基于定時器的周期性喚醒）以及損失。

功率消耗的如此低的水平是難以實現(xiàn)的，即使在最新的處理器，并且可能是最大的設計挑戰(zhàn)。定制的混合信號設計和優(yōu)化的系統(tǒng)架構需要應對這些挑戰(zhàn)。

從有線靠近無線

今天，對于的IoT輸入數(shù)據(jù)被在本地連接到控制器和致動器的有線傳感器通常設置。

在這里，所有的網(wǎng)絡部件都靠近并且彼此直接連接。

這種方法非常適合于本地應用程序具有有限的靈活性的需要在不要求數(shù)據(jù)重用。

物聯(lián)網(wǎng)，相比之下，不再需要這樣的接近。它允許集中，甚至基于云的數(shù)據(jù)處理。

因此，相同的數(shù)據(jù)可以用于多種應用，拉低基礎設施成本，并允許動態(tài)網(wǎng)絡結構。

所有這些特征需要一個第二云，包括可部署和擴展靈活傳感器和執(zhí)行器節(jié)點。

使用最少的能源，這是他們從他們的周圍收獲的節(jié)點，提供一個適合和忘記的解決方案 - 它們可以被安裝在最偏遠的位置和依靠以最小的維護或執(zhí)行注意他們的任務。

技術收集能量

能量可以從不同的來源收集;最常用的是：

動能 - 以不同的形式動能（橫向移動，旋轉(zhuǎn)或振動）長期以來被用于產(chǎn)生電能利用電磁或壓電收割機。對于大多數(shù)應用，該電磁能收獲是更好的選擇，因為它提供了在一個較長的生命周期更穩(wěn)定的能量輸出，而不老化效應。這些收割機通常通過改變由移動磁體相對于線圈a或通過改變磁通極性通過線圈的磁通量工作。這種類型的動能收集為機械開關和類似應用的首選技術。

太陽能 - 許多傳感器的應用是由小型太陽能電池供電。它們非常適合于以足夠的照明（室內(nèi)或室外），并通常用于傳感器應用，如溫度，濕度，光照或二氧化碳傳感器的應用程序。能量遞送可以通過調(diào)整太陽能電池的基礎上的可用空間由應用程序設置的大小進行縮放。

熱能 - 溫度差異可以用于產(chǎn)生基于珀爾帖元件的能量。標準應用程序為這些元素是冷卻的區(qū)域（例如冷卻箱）時施加電能。相反的效果 - 根據(jù)溫差產(chǎn)生的能量 - 用于熱收獲。珀耳帖元件的輸出電壓取決于溫度差，通常是非常小的（20mV的供℃的溫差）。因此專門電子器件需要利用這種能量。

責任編輯：lq6