物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在迅速發(fā)展，已經(jīng)部署了數(shù)十億個微型設(shè)備，如智能傳感器和執(zhí)行器。通常，它們是用于收集信息的傳感器，有時通常以小的方式影響環(huán)境，以尋求改善生活的各個方面，例如可持續(xù)性，安全性和業(yè)務(wù)績效。

單個 IoT 網(wǎng)絡(luò)可以只包含幾個節(jié)點(diǎn)，也可以包含數(shù)十個、數(shù)百個或數(shù)千個節(jié)點(diǎn)。它們可以部署在密閉空間內(nèi)或整個大地理區(qū)域，如大型農(nóng)場，工業(yè)場所，城市，甚至跨境部署。

維護(hù)大型 IoT 端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可能具有挑戰(zhàn)性。雖然固件更新通?？梢酝ㄟ^無線方式遠(yuǎn)程應(yīng)用，但物理維護(hù)（例如更換放電的電池）是勞動密集型且昂貴的：最好通過確保電池包含足夠的能量來滿足已部署設(shè)備對其整個使用壽命的需求來避免這一責(zé)任。

隨著每一代新IC的連續(xù)更新IC都利用先進(jìn)的工藝技術(shù)和創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)來降低功耗需求，并且日益復(fù)雜的應(yīng)用軟件最大限度地利用了省電睡眠模式，因此已經(jīng)有可能設(shè)計(jì)出從單個紐扣電池運(yùn)行十年或更長時間的小型器件。

這可以足夠長，以消除在系統(tǒng)使用壽命期間更換電池的需要。然而，有時需要做更多的工作來將整體能源需求降低到使用合適的電池可以滿足的水平。

如何為您的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選擇最注重功耗的無線電

在無線傳感器或執(zhí)行器中，無線電子系統(tǒng)通常消耗最多的能量。這里的一些工程，通過技術(shù)選擇和調(diào)整方面，如比特率和占空比，可以顯著影響功耗和壽命能源需求。所需的通信范圍以及硬件、許可證和任何網(wǎng)絡(luò)訂閱的成本是控制無線電技術(shù)選擇的關(guān)鍵因素。

圖 1 比較了流行的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。硬件模塊、軟件和設(shè)計(jì)訣竅，以幫助基于任何這些技術(shù)啟動和運(yùn)行解決方案，這些都是現(xiàn)成的。

圖 1.用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的流行無線電技術(shù)。（圖片來源：貝洱科技）

在相對不可改變的范圍和成本約束范圍內(nèi)，可以通過無線電技術(shù)選擇來行使一些選擇來影響功耗。圖 2 顯示了 Zigbee 如何成為短距離和低數(shù)據(jù)速率連接的最有效選擇，而如果需要更高的數(shù)據(jù)速率，藍(lán)牙可能更有意義。對于更長的憤怒，可用的替代方案更少，功耗的差異也不那么明顯?？梢酝ㄟ^降低占空比來調(diào)整無線電子系統(tǒng)的能量需求;通過捕獲較少的傳感器數(shù)據(jù);或通過在端點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理以丟棄不需要的信息。

圖 2.無線電技術(shù)的典型功耗，根據(jù)范圍和比特率。（圖片來源：沃勒系統(tǒng)）

但是，仍然不可能將系統(tǒng)能源需求降低到所需電池可以提供的數(shù)量。如果差異很小，可以考慮安裝更大的電池。但是，如果供需之間的差異太大，或者由于某種原因更大的電池不切實(shí)際，則可以引入收集環(huán)境能量的系統(tǒng)。它可以與電池結(jié)合使用以彌補(bǔ)不足，或者可以完全消除對電池的需求，從而使設(shè)備在現(xiàn)場具有基本上無限的使用壽命。

最佳環(huán)境能源

現(xiàn)在可以有效地收集幾種環(huán)境能量源來為電子電路供電，包括太陽能，使用珀?duì)柼占臒崮芤约笆褂脡弘娖骷东@的動能。

為任何給定應(yīng)用選擇最佳環(huán)境能量源取決于幾個因素，包括應(yīng)用的能量需求、可用源以及需要最多能量的時間和間隔。

如圖3所示，部署在室外的太陽能電池可以成為收獲能量的慷慨來源。但是，傳感器可能需要安裝在日光很少或部分被陰影覆蓋或可能被可移動物體遮擋的位置。在適當(dāng)?shù)臈l件下，熱電元件從工業(yè)過程中收集的熱能和使用壓電器件從機(jī)器振動中收集的動能可以是可行的替代方案（圖3）。

圖 3.比較能量收集技術(shù)的功效。

收獲模塊的大小 - 無論是太陽能，熱電還是壓電 - 也需要根據(jù)應(yīng)用限制來考慮。

當(dāng)環(huán)境能量不可用時

無論選擇哪種方法，環(huán)境能量并不總是以可收獲的形式提供。太陽能電池板在黑暗中不能發(fā)電，熱電或壓電元件只能在過程或機(jī)器運(yùn)行時收集能量。

為了克服這一點(diǎn)，能量收集系統(tǒng)通常用于為電池或電容器充電，以便以后在環(huán)境能量不可用時使用。需要一個能量收集電源管理IC（EH PMIC）來處理收集系統(tǒng)、儲能介質(zhì)和應(yīng)用之間的能量流，并為電池的充電和應(yīng)用提供正確的電源電壓。

典型的傳統(tǒng)EH PMIC經(jīng)過優(yōu)化，可與特定類型的能量收集器配合使用，通常僅提供一個輸入。然而，可能需要多種能源來滿足大量的總體能源需求。這些可能是幾個相同類型的收割機(jī)，放置在不同的位置，或者設(shè)計(jì)人員可能需要從不同的環(huán)境源捕獲能量。

但是，將多個收割機(jī)連接到系統(tǒng)需要單獨(dú)的EH PMIC或額外的接口電路，從而引入額外的成本和復(fù)雜性，增加占地面積并提高功耗。Trameto 獲得專利的柔性 EH PMIC 通過允許設(shè)計(jì)人員將多個能量收集設(shè)備直接連接到同一設(shè)備來克服這一點(diǎn)（圖 4）。

圖 4.特拉梅托的多收獲、多輸入 EH PMIC。

變體提供多達(dá)四種能量收集輸入，并且可以使用任何收集技術(shù)組合?？赡茏疃嘤兴膫€太陽能電池板，放置在不同的位置或方向，以優(yōu)化全天的能量收集，多個壓電收集器連接到不同的機(jī)器或機(jī)制，幾個熱電收集器，或能源的混合物。

結(jié)論

能量收集系統(tǒng)可用于增強(qiáng)或更換遠(yuǎn)程部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的電池，并節(jié)省與電池更換相關(guān)的開銷。

可以考慮各種收集技術(shù)，包括太陽能電池，熱電和壓電器件，分別用于捕獲太陽能，熱能和動能。所有這些都有局限性，并且環(huán)境能量不能連續(xù)可用?？赡苄枰鄠€單獨(dú)的單元或各種不同類型的收割機(jī)來滿足整個系統(tǒng)的能量需求。

使用采用單輸入設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)EH PMIC很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。下一代設(shè)備提供了連接多個相同或不同類型的收割機(jī)的機(jī)會，幫助物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的設(shè)計(jì)者充分利用環(huán)境中可用的能源，從而最大限度地提高經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

審核編輯：郭婷