來自工業(yè)設(shè)備的診斷數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵資源。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀況使操作員能夠識別出有問題的機器。這些數(shù)據(jù)甚至可以預(yù)測哪些系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并將其替換為日常維護(hù)的一部分，而不是災(zāi)難性和代價高昂的故障。

借助物聯(lián)網(wǎng)，可以在云中分析所有這些數(shù)據(jù)，提供警報和儀表板，以便在世界任何地方進(jìn)行監(jiān)控。但是，這個模型存在一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是實際獲取數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)代系統(tǒng)可能具有內(nèi)置診斷功能，但這些系統(tǒng)可能無法連接到云端，而舊設(shè)備可能在監(jiān)控電子設(shè)備方面受到極大限制。這可能是由于缺乏傳感器和通信鏈路以及可用功率。

能量收集為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和診斷提供了關(guān)鍵能力。能夠從環(huán)境中的能量為無線傳感器節(jié)點供電允許這些節(jié)點在操作員可以從數(shù)據(jù)獲得最佳值的點處附接到設(shè)備。

可以使用各種能量收集源來獲取這些關(guān)鍵的診斷數(shù)據(jù)。一種特別優(yōu)雅的方法是使用工業(yè)設(shè)備的振動來為無線節(jié)點供電并充當(dāng)傳感器。可以將壓電傳感器調(diào)諧到來自設(shè)備的振動的共振頻率，并且這可以用于為無線傳感器節(jié)點供電。針對能量收集進(jìn)行優(yōu)化的復(fù)雜電源管理器（如凌力爾特公司的LTC3588）可以捕獲和修改壓電晶體的電流，為無線收發(fā)器供電。 SparkFun Electronics的評估板（如圖1所示）提供了連接到電源的LTC3588鏈路。四個輸出電壓，1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6 V，可通過器件選擇引腳，連續(xù)輸出電流高達(dá)100 mA;然而，輸出電容器的大小可以設(shè)計成服務(wù)于更高的輸出電流突發(fā)。設(shè)置為20 V的輸入保護(hù)分流器可在給定量的輸入電容下實現(xiàn)更大的能量存儲。

圖1：LTC3588電源管理評估板來自SparkFun Electronics

然而，使用振動能量為診斷節(jié)點供電還有另一個優(yōu)點。通過監(jiān)測晶體的電流，可以檢測到設(shè)備振動的任何變化，從而檢測機器的健康狀況。這是一種復(fù)雜的轉(zhuǎn)換算法，通常需要比能量收集系統(tǒng)更多的處理能力;但是通過物聯(lián)網(wǎng)的無線鏈接，可以將數(shù)據(jù)上傳到云中進(jìn)行分析，跟蹤振動曲線的變化。這些卡爾曼算法可以應(yīng)用于云中的數(shù)據(jù)以進(jìn)行預(yù)防性分析，可以監(jiān)控設(shè)備的健康狀況并預(yù)測故障。這使得設(shè)備可以作為日常維護(hù)的一部分進(jìn)行更換，并避免潛在的昂貴停機。

壓電能源不是獲取基本診斷數(shù)據(jù)的唯一選擇。太陽能電池是向無線傳感器節(jié)點供電的常用方式，而不必?fù)?dān)心電源或網(wǎng)絡(luò)連接。今天的電池具有從工業(yè)應(yīng)用中的室內(nèi)照明提供電力的效率。這些需要電源管理，可以處理從微瓦（μW）到毫瓦（mW）的可變源。

S6AE101A是一種用于Cypress Semiconductor能量收集的電源管理IC（PMIC），可用于太陽能電池串聯(lián)連接，輸出功率控制電路，輸出電容器存儲電路和原電池的功率開關(guān)電路。它使用250 nA，啟動功率僅為1.2μW。結(jié)果，在工業(yè)場所中在約100lx的低亮度環(huán)境下，甚至可以從緊湊型太陽能電池獲得少量發(fā)電。

電路板使用內(nèi)置開關(guān)控制將太陽能電池產(chǎn)生的電能存儲到輸出電容器，并在電容器電壓處于預(yù)設(shè)的最大和最小范圍內(nèi)時為電源開關(guān)電路供電，以便為負(fù)載供電。如果太陽能電池產(chǎn)生的電力不足，則能夠以與連接的一次電池中的太陽能電池相同的方式供應(yīng)能量以用于輔助電力。此外，太陽能電池的輸入引腳內(nèi)置過壓保護(hù)（OVP）功能，該IC使用太陽能電池的開路電壓來防止過壓狀態(tài)。

類似地，熱能發(fā)生器（TEG）設(shè)備可以通過溫差提供功率，這種技術(shù)稱為塞貝克效應(yīng)。 TEG發(fā)生器使用硅技術(shù)減小尺寸。 Silicium的最新發(fā)電機厚度僅為1 mm，從幾度的溫差可以產(chǎn)生100μW至10 mW的功率。這允許帶有無線收發(fā)器的小型傳感器板由溫度差驅(qū)動，以提供來自工業(yè)設(shè)備的診斷數(shù)據(jù)。

德州儀器（TI）的bq25570是一款電池管理器件，可處理來自壓電，太陽能或TEG能量收集設(shè)備的低至100 mV的可變電壓。 bq25570調(diào)節(jié)其輸入電壓，使其在將存儲元件充電至設(shè)定電壓點時不會折疊其輸入源，并具有集成降壓調(diào)節(jié)器，可提供充電器輸出的穩(wěn)壓輸出。電源良好輸出指示充電器的存儲元件何時達(dá)到用戶設(shè)定電壓電平。

圖2：德州儀器（TI）的bq25570評估板

這在評估板上展示（圖2）要實現(xiàn)的不同來源，以查看哪個源最適合應(yīng)用程序。通過最小的跳線更改，評估模塊還可以配置為超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)低阻抗源的輸出電壓，同時提供降壓穩(wěn)壓器的第二輸出電壓，以驅(qū)動其他設(shè)備，如無線收發(fā)器。

可編程輸入電壓調(diào)節(jié)通過跳線或電阻設(shè)置，充電器輸出電壓最大值通過電阻設(shè)置為4.2 V，充電器最大輸出電壓設(shè)置為1.8 V.有多個跳線，連接器和測試點可用，以便電力子系統(tǒng)可以與能量收集源匹配。只要VBAT上的存儲元件電壓（如圖3所示）高于內(nèi)部編程的2.0 V欠壓，4.2 V輸出就會施加到存儲元件。集成降壓轉(zhuǎn)換器在VOUT時提供高達(dá)1.8 V和100 mA的電壓。當(dāng)VSTOR上升至3.0 V時，VBAT_OK指示器切換為高電平，當(dāng)VSTOR下降至2.8 V時，VBAT_OK指示器切換為低電平。

圖3：示意圖bq25570評估板顯示來自高阻抗能量收集源的不同功率輸出的電阻器設(shè)置。

使用此類設(shè)備設(shè)計高阻抗源（如太陽能電池）與AC/DC轉(zhuǎn)換器或大型電池系統(tǒng)有很大不同。這要求將任何時間單位的系統(tǒng)負(fù)載與每個相同時間單位的預(yù)期負(fù)載進(jìn)行比較。通常沒有足夠的實時時間來獲取電力以在完全運行時運行系統(tǒng)（例如，在太陽能電池板的夜晚），因此收集并存儲電力。

這意味著能量收集源必須與諸如可充電鋰電池或電容器的存儲元件匹配，以便在無法收集能量時它可用于為無線收發(fā)器供電。然后，收發(fā)器處理來自無線節(jié)點中的傳感器的數(shù)據(jù)，監(jiān)測溫度，振動或濕度。電源狀態(tài)（例如LTC3588，S6AE101A或bq25570上的引腳的過壓或欠壓）也可以連接到收發(fā)器，以突出顯示電源的任何問題。這給出了存儲元件健康狀況的指示，并允許傳感器節(jié)點在失敗之前作為日常維護(hù)的一部分進(jìn)行更換。

結(jié)論

能量收集源可以為無線傳感器節(jié)點提供電源，以監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)中的工業(yè)設(shè)備。這使節(jié)點從電源線上釋放，使其可以放置在正確的位置，以提供監(jiān)控機器運行狀況所需的診斷數(shù)據(jù)。

有一系列技術(shù)可用于從工業(yè)環(huán)境中獲取能量，從機器的振動和工廠燈光的能量到溫差的熱能。將這些源與電源管理器件匹配，該器件針對產(chǎn)生的非常小的可變電流進(jìn)行了優(yōu)化，允許存儲元件保持電源。然后，這可以用于為無線收發(fā)器供電以將診斷傳感器數(shù)據(jù)傳遞到云，其中卡爾曼算法可以用于預(yù)測系統(tǒng)的健康狀況。這種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實施可以通過允許日常維護(hù)在失敗之前更換設(shè)備（包括無線節(jié)點）來節(jié)省成本。