能量收集背景

在當今環保的地球友好心態中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經存在了十多年;然而，在現實環境中實施環境能源供電系統一直很麻煩、復雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場示例包括交通基礎設施、無線醫療設備、胎壓傳感和樓宇自動化。具體來說，在樓宇自動化系統的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開關之類的東西已經消除了通常與其安裝相關的電源或控制布線，而是使用局部能量收集系統。

建造節能的智能建筑，包括商業和住宅結構，是確保節能結構不會大量使用化石燃料的傳統電源的先決條件。

就商業建筑而言，使它們變得智能對于安置在其中的組織至關重要，因為擁有節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環境。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設施，以實現供暖和制冷系統的高效運行、照明控制和有效的空間利用。這很可能需要使用物聯網（IoT）作為監測和控制環境的方法，并將增加他們對替代電源的依賴，以有效管理和控制它們。

智能建筑的物聯網趨勢

智能建筑將不斷改變人們每天開展活動的方式。此外，除了節約能源外，智能建筑還將有助于節省資金。一些物聯網智能建筑趨勢已經形成，以實現這種轉變。

一個很好的例子是預測性維護將如何利用傳感器（IoT）和其他硬件設備來獲取有關商業建筑及其中所有設備狀態的報告。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。預防性維護計劃中通常出現的不可預見的問題可以通過使用預測性維護方法來克服。

此外，工人的生產力可能會受到空氣質量的不利影響。該領域的行業研究表明，與更傳統的建筑物相比，當工人在室內環境質量良好的建筑物中工作時，他們的工作效率提高了 10%。同樣，物聯網設備可用于測量和檢查空氣質量，以及使用作為網狀網絡一部分的各種傳感器中的二氧化碳水平。這些設備連接到建筑基礎設施的所有區域，從而能夠保持環境和其中每個人的健康和生產力。

預計未來的另一個新趨勢是在智能建筑中使用物聯網支持的應用程序。一個很好的例子是使用熱成像技術，使設施管理人員能夠檢查他們的設備是否超出其工作溫度范圍。這可以很容易地檢測到，從而允許在設備中斷其正常運行模式之前進行維護。例如，物聯網將改變商業設施管理人員跟蹤信息以及測量和收集數據的方式;這包括以前難以到達的難以進入的區域。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。通過使用物聯網互連系統，設施管理人員現在可以使用這些系統訪問所有相關信息。

物聯網將使商業業主擁有能源充足的建筑物成為可能。這影響了建筑物的設計，并使它們具有環保和資源效率。此外，這些智能樓宇管理系統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備，這些傳感器可以使用振動和溫度波動等指標進行控制。顯然，這節省了大量的能源和金錢，同時也降低了維護成本。

最后，物聯網對建筑物最重要的影響之一是能源效率。傳感器網絡有助于提供信息，幫助管理人員更有效地控制其資產，同時減少環境中的有害廢物。示例包括：

使用傳感器進行溫度控制

使用執行器進行暖通空調控制

復雜的應用，例如為建筑物提供完整的能源自動化

考慮天氣預報以節省實時能源成本

無線傳感器節點：能量收集的關鍵應用

能量收集系統的一個關鍵應用是樓宇自動化系統中的無線電傳感器。在美國，建筑物是每年能源生產的頭號用戶，緊隨其后的是運輸和工業部門。

利用能量收集技術的無線網絡可以將建筑物中任意數量的傳感器連接在一起，以在建筑物或房間無人居住時調節溫度或關閉非必要區域的燈來降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設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顯然可以獲得經濟收益。

然而，如果每個節點都需要自己的外部電源，無線傳感器網絡的許多優勢就會消失。盡管正在進行的電源管理發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境能量轉換為可用電能來為無線傳感器節點供電的方法。環境能量源包括光、熱差、機械振動、傳輸的射頻信號或任何可以通過換能器產生電荷的源。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換為電能，例如用于溫差的熱電發電機（TEG），用于振動的壓電元件，用于陽光（或室內照明）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供電。

由于完全無線傳感器節點現在能夠以微瓦級的平均功率水平運行，因此從非傳統來源為其供電是可行的。這導致了能量收集，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據的需求。

典型的能量收集配置或無線傳感器節點（WSN）由四個模塊組成，如圖1所示。這些是：

環境能源

傳感器元件和電源轉換電路，用于為下游電子設備供電

將節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，用于處理測量數據并將其存儲在存儲器中

由短程無線電組成的通信組件，用于與相鄰節點和外部世界進行無線通信。

環境能源的例子包括連接到發熱源（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換為電能。在存在機械振動或應變的情況下，可以使用壓電裝置將其轉換為電能。

一旦產生電能，就可以通過能量收集電路將其轉換并修改為合適的形式，為下游電子設備供電。因此，微處理器可以喚醒傳感器進行讀數或測量，然后可以通過模數轉換器（ADC）進行操作，以便通過超低功耗無線收發器進行傳輸。

圖1.典型能量收集系統的主要模塊。

當然，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、可變和不可預測的可用功率水平的影響，因此經常使用與收集器和輔助電源存儲接口的混合結構。收割機由于其無限的能量供應和功率不足，是系統的能源。輔助電源存儲，無論是電池還是電容器，產生更高的輸出功率，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。

成功設計完全獨立的無線傳感器系統需要現成的節能微控制器和換能器，這些微控制器和換能器在低能耗環境中消耗的電能最少。這種能量收集器模塊的現有實現如圖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。這種設計具有低轉換效率和高靜態電流。這些缺陷會導致終端系統的性能下降。考慮一下，由于高靜態電流限制了能量收集源的輸出有多低，系統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 的能量收集系統示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 轉換器和電源管理器，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據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生系統電力，而不是使用傳統的電池電源。

每個變壓器的次級繞組上產生的交流電壓利用一個外部充電泵電容器和 LTC3109 內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。內部2.2 V LDO穩壓器可支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

由于模擬開關模式電源設計專業知識在全球范圍內供不應求，因此很難設計出用于綠色建筑的有效能量收集系統。主要障礙之一是與遠程無線傳感相關的電源管理方面。然而，能量收集組件可以從幾乎任何熱源中提取能量，從而使系統設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，還有助于為當代和后代創造一個更環保的建筑環境。

審核編輯：郭婷