【導(dǎo)讀】在當(dāng)今環(huán)保的地球友好心態(tài)中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經(jīng)存在了十多年;然而，在現(xiàn)實環(huán)境中實施環(huán)境能源供電系統(tǒng)一直很麻煩、復(fù)雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場示例包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、胎壓傳感和樓宇自動化。具體來說，在樓宇自動化系統(tǒng)的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開關(guān)之類的東西已經(jīng)消除了通常與其安裝相關(guān)的電源或控制布線，而是使用局部能量收集系統(tǒng)。
能量收集背景
在當(dāng)今環(huán)保的地球友好心態(tài)中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經(jīng)存在了十多年;然而，在現(xiàn)實環(huán)境中實施環(huán)境能源供電系統(tǒng)一直很麻煩、復(fù)雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場示例包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、胎壓傳感和樓宇自動化。具體來說，在樓宇自動化系統(tǒng)的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開關(guān)之類的東西已經(jīng)消除了通常與其安裝相關(guān)的電源或控制布線，而是使用局部能量收集系統(tǒng)。
建造節(jié)能的智能建筑，包括商業(yè)和住宅結(jié)構(gòu)，是確保節(jié)能結(jié)構(gòu)不會大量使用化石燃料的傳統(tǒng)電源的先決條件。
就商業(yè)建筑而言，使它們變得智能對于安置在其中的組織至關(guān)重要，因為擁有節(jié)能和精簡的建筑有助于降低能源成本，同時也為其中的工人提供生產(chǎn)環(huán)境。然而，達到這一點并非沒有其自身的一系列缺點。例如，這些建筑物將需要能夠提供必要反饋的基礎(chǔ)設(shè)施，以實現(xiàn)供暖和制冷系統(tǒng)的高效運行、照明控制和有效的空間利用。這很可能需要使用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）作為監(jiān)測和控制環(huán)境的方法，并將增加他們對替代電源的依賴，以有效管理和控制它們。
智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)趨勢
智能建筑將不斷改變?nèi)藗兠刻扉_展活動的方式。此外，除了節(jié)約能源外，智能建筑還將有助于節(jié)省資金。一些物聯(lián)網(wǎng)智能建筑趨勢已經(jīng)形成，以實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。
一個很好的例子是預(yù)測性維護將如何利用傳感器（IoT）和其他硬件設(shè)備來獲取有關(guān)商業(yè)建筑及其中所有設(shè)備狀態(tài)的報告。這種反饋將使我們能夠在需要時及時有效地安排任何必要的維護時間。預(yù)防性維護計劃中通常出現(xiàn)的不可預(yù)見的問題可以通過使用預(yù)測性維護方法來克服。
此外，工人的生產(chǎn)力可能會受到空氣質(zhì)量的不利影響。該領(lǐng)域的行業(yè)研究表明，與更傳統(tǒng)的建筑物相比，當(dāng)工人在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量良好的建筑物中工作時，他們的工作效率提高了 10%。同樣，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用于測量和檢查空氣質(zhì)量，以及使用作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)一部分的各種傳感器中的二氧化碳水平。這些設(shè)備連接到建筑基礎(chǔ)設(shè)施的所有區(qū)域，從而能夠保持環(huán)境和其中每個人的健康和生產(chǎn)力。
預(yù)計未來的另一個新趨勢是在智能建筑中使用物聯(lián)網(wǎng)支持的應(yīng)用程序。一個很好的例子是使用熱成像技術(shù)，使設(shè)施管理人員能夠檢查他們的設(shè)備是否超出其工作溫度范圍。這可以很容易地檢測到，從而允許在設(shè)備中斷其正常運行模式之前進行維護。例如，物聯(lián)網(wǎng)將改變商業(yè)設(shè)施管理人員跟蹤信息以及測量和收集數(shù)據(jù)的方式;這包括以前難以到達的難以進入的區(qū)域。在建筑物的各個部分安裝傳感器將跟蹤他們過去從未訪問過的所有信息。通過使用物聯(lián)網(wǎng)互連系統(tǒng)，設(shè)施管理人員現(xiàn)在可以使用這些系統(tǒng)訪問所有相關(guān)信息。
物聯(lián)網(wǎng)將使商業(yè)業(yè)主擁有能源充足的建筑物成為可能。這影響了建筑物的設(shè)計，并使它們具有環(huán)保和資源效率。此外，這些智能樓宇管理系統(tǒng)可以從任何地方進行遠程管理，從而可以用傳感器取代過時的重型建筑設(shè)備，這些傳感器可以使用振動和溫度波動等指標(biāo)進行控制。顯然，這節(jié)省了大量的能源和金錢，同時也降低了維護成本。
最后，物聯(lián)網(wǎng)對建筑物最重要的影響之一是能源效率。傳感器網(wǎng)絡(luò)有助于提供信息，幫助管理人員更有效地控制其資產(chǎn)，同時減少環(huán)境中的有害廢物。示例包括：
? 使用傳感器進行溫度控制
? 使用執(zhí)行器進行暖通空調(diào)控制
? 復(fù)雜的應(yīng)用，例如為建筑物提供完整的能源自動化
? 考慮天氣預(yù)報以節(jié)省實時能源成本
? 無線傳感器節(jié)點：能量收集的關(guān)鍵應(yīng)用
能量收集系統(tǒng)的一個關(guān)鍵應(yīng)用是樓宇自動化系統(tǒng)中的無線電傳感器。在美國，建筑物是每年能源生產(chǎn)的頭號用戶，緊隨其后的是運輸和工業(yè)部門。
利用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)可以將建筑物中任意數(shù)量的傳感器連接在一起，以在建筑物或房間無人居住時調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉非必要區(qū)域的燈來降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設(shè)備的成本通常低于運行電源線或更換電池所需的日常維護，因此采用收集功率技術(shù)顯然可以獲得經(jīng)濟收益。
然而，如果每個節(jié)點都需要自己的外部電源，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多優(yōu)勢就會消失。盡管正在進行的電源管理發(fā)展使電子電路能夠在給定電源下運行更長時間，但這有其局限性，而功率能量收集提供了一種補充方法。因此，能量收集是一種通過將本地環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用電能來為無線傳感器節(jié)點供電的方法。環(huán)境能量源包括光、熱差、機械振動、傳輸?shù)纳漕l信號或任何可以通過換能器產(chǎn)生電荷的源。這些能源就在我們身邊，它們可以通過使用合適的傳感器轉(zhuǎn)換為電能，例如用于溫差的熱電發(fā)電機（TEG），用于振動的壓電元件，用于陽光（或室內(nèi)照明）的光伏電池，甚至來自水分的電流能。這些所謂的“免費”能源可用于自主為電子元件和系統(tǒng)供電。
由于完全無線傳感器節(jié)點現(xiàn)在能夠以微瓦級的平均功率水平運行，因此從非傳統(tǒng)來源為其供電是可行的。這導(dǎo)致了能量收集，在電池使用不方便、不切實際、昂貴或危險的系統(tǒng)中提供充電、補充或更換電池的電力。它還可以消除對電線傳輸電力或傳輸數(shù)據(jù)的需求。
典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點（WSN）由四個模塊組成，如圖1所示。這些是：
? 環(huán)境能源
? 傳感器元件和電源轉(zhuǎn)換電路，用于為下游電子設(shè)備供電
? 將節(jié)點連接到物理世界的傳感組件，以及由微處理器或微控制器組成的計算組件，用于處理測量數(shù)據(jù)并將其存儲在存儲器中
? 由短程無線電組成的通信組件，用于與相鄰節(jié)點和外部世界進行無線通信。
環(huán)境能源的例子包括連接到發(fā)熱源（如HVAC管道）的TEG（或熱電堆），或連接到振動機械源（如窗玻璃）的壓電換能器。在熱源的情況下，緊湊的熱電裝置可以將微小的溫差轉(zhuǎn)換為電能。在存在機械振動或應(yīng)變的情況下，可以使用壓電裝置將其轉(zhuǎn)換為電能。
一旦產(chǎn)生電能，就可以通過能量收集電路將其轉(zhuǎn)換并修改為合適的形式，為下游電子設(shè)備供電。因此，微處理器可以喚醒傳感器進行讀數(shù)或測量，然后可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行操作，以便通過超低功耗無線收發(fā)器進行傳輸。
圖1.典型能量收集系統(tǒng)的主要模塊。
當(dāng)然，能量收集源提供的能量取決于能量源運行的時間。因此，比較清除源的主要指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常受到低、可變和不可預(yù)測的可用功率水平的影響，因此經(jīng)常使用與收集器和輔助電源存儲接口的混合結(jié)構(gòu)。收割機由于其無限的能量供應(yīng)和功率不足，是系統(tǒng)的能源。輔助電源存儲，無論是電池還是電容器，產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲的能量更少，在需要時供電，但定期從收割機接收電荷。因此，在沒有環(huán)境能量從中獲取電力的情況下，必須使用輔助電源為WSN供電。
成功設(shè)計完全獨立的無線傳感器系統(tǒng)需要現(xiàn)成的節(jié)能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器在低能耗環(huán)境中消耗的電能最少。這種能量收集器模塊的現(xiàn)有實現(xiàn)如圖1所示。這些通常由低性能的分立配置組成，通常包含 30 個或更多組件。這種設(shè)計具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這些缺陷會導(dǎo)致終端系統(tǒng)的性能下降。考慮一下，由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出有多低，系統(tǒng)必須首先克服自身運行所需的電流水平，然后才能向輸出提供任何多余的功率。
能量收集示例
圖 2 示出了基于 LTC3109 的能量收集系統(tǒng)示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電源管理器，能夠從極低的輸入電壓源（如 TEG、熱電堆甚至小型太陽能電池）收集和管理剩余能量。使用自極性拓撲使其能夠從低至30 mV的輸入源工作，無論極性如何。
圖2.LTC3109的典型應(yīng)用原理圖。
圖 2 中的電路使用兩個緊湊的升壓變壓器來升壓 LTC3109 的輸入電壓源，從而為無線檢測和數(shù)據(jù)采集提供一個完整的電源管理解決方案。它可以收集微小的溫差并產(chǎn)生系統(tǒng)電力，而不是使用傳統(tǒng)的電池電源。
每個變壓器的次級繞組上產(chǎn)生的交流電壓利用一個外部充電泵電容器和 LTC3109 內(nèi)部的整流器進行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容器提供電荷，然后向其他輸出提供電荷。內(nèi)部2.2 V LDO穩(wěn)壓器可支持低功耗處理器或其他低功耗IC。
由于模擬開關(guān)模式電源設(shè)計專業(yè)知識在全球范圍內(nèi)供不應(yīng)求，因此很難設(shè)計出用于綠色建筑的有效能量收集系統(tǒng)。主要障礙之一是與遠程無線傳感相關(guān)的電源管理方面。然而，能量收集組件可以從幾乎任何熱源中提取能量，從而使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠使用能量收集的電源。這不僅減少了化石燃料的使用，還有助于為當(dāng)代和后代創(chuàng)造一個更環(huán)保的建筑環(huán)境。
（作者：Tony Armstrong）
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