使能源收集工作的边缘物联网设备

文章：Huw Davies

随着各组织追求数字化转型，物联网的部署继续取得进展，而智能生活(所有形式的智能生活)是提高生活质量和可持续性的关键。

物联网端点往往是传感器，或以无线方式连接到聚合设备或互联网网关的驱动器(这种情况较少)。它们经常大量部署，在智能城市、智能工厂或智能农业等场景中分散在一个大的地理区域。进行现场维护的成本，如更换放电的一次电池，通常是令人望而却步的。此外，废弃的电池对环境造成了越来越大的负担。

在设计端点时，工程师可以避免通过安排足够的能量供应来避免更换电池，以持续到设备的预期寿命。这可能是几年。由于尺寸约束，币细胞形状因子通常是期望的。如果能量存储缺少系统要求，则拟合较大的单元可以是一种选择。

另一种方法是重新设计电路以降低可用单元存储下方的整体系统能源需求。任何一种方法，或两者​​的组合，可能无法满足目标。

微型能量收获，按摩摩擦或毫瓦的顺序可以提供从环境环境中捕获的有用且可能的取之不尽的电能供应。这可以补充或更换主要细胞，具体取决于应用和可用的环境能量。收获和转换的能量可能是直接为电路供电。另一方面，将能量存储在缓冲器中，直到需要是更合适的方法。

在任何情况下，都需要适当的环境能量来源，能够满足应用的需求。在IOT端点的各个子系统中，无线电占据最大的能源需求。分析以下要求可能是有益的，以便于能量收集系统的设计和集成。

无线电分系统功耗

选择最合适的无线技术以在最低可能的功耗下提供所需的数据速率和通信范围至关重要。

如果传感器仅从聚合器或网关距离诸如连接到因特网的集线器或路由器的网关或通过本地电信交换，则诸如蓝牙，ZigBee或Wi-Fi的技术可能是合适的关于所需的数据速率以及成本限制。在其他情况下，例如在地理位置大面积上分布端点的位置，可能需要LPWAN或蜂窝连接。图1比较了IOT应用程序中使用的主要技术的功耗，数据速率，典型的最大范围和相对成本。

该范围，数据速率和功耗也可以在数字上表示以帮助直接比较。如图2所示，无线子系统可以从小到150μw到400mW。

要了解系统的整体能源需求的影响，还有必要考虑占空比。智能公用电表等应用涉及每天几次发送小数据包或每隔几天。其他（例如安全摄像机）可能需要经常或连续发送大量数据。根据应用，可以通过在发射之前过滤系统内本地的数据来减少占空比;相机可以安装在检测到活动时才能开始录制，或者嵌入图像处理可以丢弃不可接触的数据。当然，必须将数据所需的能量与通过减少占空比节省的能量进行比较，以确保净利润。

环境能源

了解了无线子系统的能量和功率需求后，就有可能评估合适的环境源和微能量收集技术。

适合供电这些系统的主要微能收集技术是通过振动激活的太阳能电池，压电或静电转换器的阵列，以及将温度梯度转换为电动势（EMF）的珀耳帖设备。通过贴片或线圈天线捕获的RF能源往往是不合适的，除了最具苛刻的IOT应用程序。图3比较了与这些技术相关的典型能量密度。使用此信息，可以通过评估可用组件的大小和性能来选择一种技术并开始开发规范。

太阳能电池面积为35-40厘米²可以产生大约0.5瓦特，假设效率约为20%。它们每台的价格不到1美元，而压电收割机通常至少要贵一个数量级，而且产生的能量更少。众所周知，太阳能电池在室内使用时效率较低。然而，最近引进了一些室内太阳能收割机，声称可以为低功率收音机提供足够的输出。

把它们放在一起

利用这些促进如此，微能收获可以被认为是减少或消除IOT端点中电池的解决方案。因为能量源本身通常是不规则的，并且当IOT设备需要发送或接收数据时，所以通常需要能量缓冲器或存储设备。这可以是可充电电池或电容器（或超级电容器）。需要一种能量收集电源管理IC（EH PMIC）来处理来自收集子系统的能量，管理提供给能量缓冲器的电荷，并在需要时为负载供电，如图4所示。各种能量收集技术具有不同的电气特性。热电收割机在低电压下产生连续的DC电流，并且阻抗较低。虽然太阳能电池也产生低直流电压，但电流和因此阻抗在光线下变化。

今天市场的典型EH PMIC具有固定架构和输入电压范围，旨在用特定类型的收割机进行操作。如果单独使用一个源不能满足系统要求，这会使用替代收割机来捕获额外的环境能量。因此，如果需要多个能源，则每个能源都需要专用的EH PMIC。这增加了系统成本，尺寸和功耗，并且还可以使设计复杂化。

一些EH pmic可以使用外部电路来调整能量采集器的输出。然而，为了简化系统设计，Trameto的EH pmic，称为OptiJoule，提供自动适应各种类型的连接收割机的输入，并最大限度地将功率传递到缓冲区，而不需要外部电路。版本可用于单个输入或最多四个输入。多输入版本具有连接类似或不同类型矿车的灵活性。因此，通过OptiJoule设备，可以扩大微能量收集能力，将单个PMIC用于多个应用，甚至可以将能量收集技术的选择推迟到产品开发的后期。

结论

通过优化无线电协议、低耗能微处理器设计、低功率传感器的发展，以及微能量收集效率的提高，环境能量已成为一种可行的能源来源，有助于减少或消除对电池的依赖，并延长物联网终端在该领域的运行寿命。EH pmic的最新发展在集成选定的微能源收集技术时，允许额外的灵活性来管理尺寸、成本和复杂性。

本文最初发布嵌入式。

HUW DAVIES.的首席执行官和联合创始人Trameto那是一个综合管理，创始人角色，产品营销，业务开发和销售的技术业务领导者。他曾在初创企业和跨国企业组织工作过。他的经验涵盖全球业务开发、运营和财务管理、许可技术转让以及合作研究/商业合作。休的背景是半导体和消费电子，他在硅谷有丰富的工作经验。他持有卡迪夫大学的学士学位和博士学位，以及巴斯大学的emba学位。