物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在快速增長(zhǎng)，已經(jīng)部署了數(shù)十億臺(tái)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(shí)會(huì)以很小的方式影響環(huán)境，以尋求改善生活的方面，例如可持續(xù)性，安全性和業(yè)務(wù)績(jī)效。

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

維護(hù)大型物聯(lián)網(wǎng)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^(guò)無(wú)線(xiàn)方式遠(yuǎn)程應(yīng)用，但更換放電電池等物理維護(hù)是勞動(dòng)密集型且昂貴的：最好避免這種責(zé)任，確保電池包含足夠的能量來(lái)滿(mǎn)足部署設(shè)備在其整個(gè)使用壽命內(nèi)的需求。

隨著每一代新IC利用先進(jìn)的工藝技術(shù)和創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)來(lái)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節(jié)能休眠模式，因此可以從單個(gè)紐扣電池設(shè)計(jì)出運(yùn)行十年或更長(zhǎng)時(shí)間的小型器件。

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

如何為您的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選擇最節(jié)能的無(wú)線(xiàn)電

在無(wú)線(xiàn)傳感器或執(zhí)行器中，無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)通常消耗的能量最多。這里的一些工程，通過(guò)技術(shù)選擇和調(diào)整比特率和占空比等方面，可以顯著影響功耗和壽命能量需求。所需的通信范圍以及硬件、許可證和任何網(wǎng)絡(luò)訂閱的成本是決定無(wú)線(xiàn)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)知識(shí)都可以隨時(shí)獲得，以幫助基于這些技術(shù)啟動(dòng)和運(yùn)行解決方案。

圖1.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的流行無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。

在范圍和成本相對(duì)不變的約束下，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)選擇來(lái)選擇一些選擇來(lái)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(duì)于更長(zhǎng)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^(guò)降低占空比來(lái)調(diào)整無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)的能量需求;通過(guò)捕獲更少的傳感器數(shù)據(jù);或者通過(guò)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)的典型功耗，取決于范圍和比特率。

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，如果供需差異太大，或者由于某種原因較大的電池不切實(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，或者完全不需要電池，從而使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)具有基本上無(wú)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)境能源來(lái)為電子電路供電，包括太陽(yáng)能、使用珀?duì)柼占臒崮芤约笆褂脡弘娖骷东@的動(dòng)能。

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

如圖3所示，部署在室外的太陽(yáng)能電池可以成為大量收集能量的來(lái)源。但是，傳感器可能需要安裝在接收很少的日光或部分被陰影覆蓋或可能被可移動(dòng)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(guò)程中收集的熱能和使用壓電器件從機(jī)器振動(dòng)中收集的動(dòng)能可能是可行的替代方案（圖 3）。

圖3.比較能量收集技術(shù)的功效。

收集模塊的尺寸 - 無(wú)論是太陽(yáng)能，熱電還是壓電 - 也需要根據(jù)應(yīng)用限制來(lái)考慮。

當(dāng)環(huán)境能量不可用時(shí)

無(wú)論選擇哪種方法，環(huán)境能源并不總是以可收集的形式提供。太陽(yáng)能電池板在黑暗中不能發(fā)電，熱電或壓電元件只能在過(guò)程或機(jī)器運(yùn)行時(shí)收集能量。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，能量收集系統(tǒng)通常用于為電池或電容器充電，以便在環(huán)境能量不可用時(shí)使用。需要能量收集電源管理IC（EH PMIC）來(lái)處理收集系統(tǒng)、儲(chǔ)能介質(zhì)和應(yīng)用之間的能量流動(dòng)，并為電池充電和應(yīng)用提供正確的電源電壓。

典型的傳統(tǒng)EH PMIC經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與特定類(lèi)型的能量收集器配合使用，通常僅提供一個(gè)輸入。然而，可能需要多種來(lái)源來(lái)滿(mǎn)足大量的整體能源需求。這些可能是放置在不同位置的相同類(lèi)型的幾個(gè)收割機(jī)，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，將多臺(tái)收割機(jī)連接到系統(tǒng)需要單獨(dú)的EH PMIC或每個(gè)收割機(jī)的額外接口電路，從而帶來(lái)額外的成本和復(fù)雜性，增加占用空間并增加功耗。Trameto 獲得專(zhuān)利的靈活 EH PMIC 通過(guò)讓設(shè)計(jì)人員將多個(gè)能量收集設(shè)備直接連接到同一設(shè)備來(lái)克服這一問(wèn)題（圖 4）。

圖4.Trameto 的多收割、多輸入 EH PMIC。

提供多達(dá)四個(gè)能量收集輸入的變體，并且可以使用收集技術(shù)的任意組合。可能有多達(dá)四個(gè)太陽(yáng)能電池板，放置在不同的位置或方向，以?xún)?yōu)化全天的能量收集，連接到不同機(jī)器或機(jī)構(gòu)的多個(gè)壓電收集器，幾個(gè)熱電收集器或能源混合物。

結(jié)論

能量收集系統(tǒng)可用于在遠(yuǎn)程部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中增加或更換電池，并節(jié)省與更換電池相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

可以考慮各種收集技術(shù)，包括太陽(yáng)能電池、熱電和壓電器件，分別捕獲太陽(yáng)能、熱能和動(dòng)能。所有這些都有局限性，并且環(huán)境能量無(wú)法連續(xù)獲得。可能需要多個(gè)單獨(dú)的單元或各種不同類(lèi)型的收割機(jī)來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的能源需求。

使用采用單一輸入設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)EH PMIC很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。下一代設(shè)備提供了連接相同或不同類(lèi)型的多個(gè)收割機(jī)的機(jī)會(huì)，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