能量采集應(yīng)用離我們還有多遠(yuǎn)？

能量采集的概念已經(jīng)出現(xiàn)數(shù)十年，如何將免費(fèi)能量轉(zhuǎn)化成電能來(lái)提供給不同類型的電子儀器及產(chǎn)品應(yīng)用，是電子及半導(dǎo)體業(yè)界發(fā)展綠色能源應(yīng)用的重要課題。近年來(lái)能源危機(jī)進(jìn)一步凸顯，綠色環(huán)保概念更加深入人心，能量采集技術(shù)的應(yīng)用開始迎來(lái)發(fā)展的春天。IDTechEx數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)用能量采集技術(shù)的電子設(shè)備將會(huì)急劇成長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2019年將會(huì)超過(guò)2.5億。

能量采集技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，目前在我們的周圍已經(jīng)有許多運(yùn)用了能量收集技術(shù)的應(yīng)用。其中，看好該市場(chǎng)并為采集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能等環(huán)節(jié)提供電源管理解決方案和系統(tǒng)支持的供應(yīng)商包括凌力爾特、TI 、Energy Micro、Silicon Labs等。

凌力爾特公司電源產(chǎn)品產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong

凌力爾特公司電源產(chǎn)品產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong介紹，具體應(yīng)用實(shí)例包括：輪胎磨損/壓力監(jiān)測(cè)器、電感耦合智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)器、HVAC和照明控制系統(tǒng)。飛機(jī)健康狀況監(jiān)視和資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)很快也將運(yùn)用能量采集技術(shù)。

Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品線資深應(yīng)用工程師Farris Bar

Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品線資深應(yīng)用工程師Farris Bar也認(rèn)為，能量采集將很快可以大量實(shí)施，因?yàn)樗鼮橹T如車輛、資產(chǎn)監(jiān)視等典型應(yīng)用帶來(lái)便利性和自發(fā)維護(hù)性。而對(duì)于更換電池困難或麻煩的所有應(yīng)用來(lái)說(shuō)，例如用于家居自動(dòng)化和安全系統(tǒng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，也是一個(gè)很好的備選方案，能量采集技術(shù)正形成一個(gè)超大市場(chǎng)。

積極開拓?zé)o線網(wǎng)絡(luò)新市場(chǎng)

在我們的家庭、辦公室、工廠和基礎(chǔ)設(shè)施中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建獨(dú)特的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電方法，從而可以為新一代產(chǎn)品提供靈活的外形選擇和增強(qiáng)的功能性，開拓新的市場(chǎng)。Farris Bar介紹，在最近幾年中，能量收集已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的供電選擇，使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以用于之前不能通過(guò)傳統(tǒng)電池供電實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員基于能量采集供電電源構(gòu)建的超薄無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其傳輸范圍超過(guò)100米，使用壽命超過(guò)20年。

采用收集的能量源為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的能力允許嵌入式設(shè)計(jì)人員提供可顯著降低終端用戶成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它提供了綠色環(huán)境效益，即更少的填埋電池。Farris Bar表示，在未來(lái)，除了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的太陽(yáng)能電池之外，我們將會(huì)看到能量收集解決方案供應(yīng)商提供多種不同類型的能量收集源為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。如果無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)放置在光源無(wú)法到達(dá)的地方，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)熱、震動(dòng)(壓電式)或甚至無(wú)線電波能量收集源提供電源。在使用太陽(yáng)能電池的示例中，能量管理、存儲(chǔ)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)電路本質(zhì)上是相同的。不管收集的是何種能量源，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理都是相同的：捕獲有限的能量源并存儲(chǔ)到薄膜電池，然后使之為超低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

環(huán)境能量源包括光、溫差、機(jī)械振動(dòng)、已發(fā)送的射頻(RF)信號(hào)或任何其他能夠通過(guò)某種換能器產(chǎn)生電荷的信號(hào)源。這些能量源都在我們的身邊，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器(TEG)、面向振動(dòng)的壓電式元件、面向太陽(yáng)光(或室內(nèi)照明光)的光伏電池等，可將其轉(zhuǎn)換成電能，甚至可以利用濕氣產(chǎn)生電能。此類所謂的“免費(fèi)”能量源可用來(lái)自主地給電子組件和系統(tǒng)供電。

從現(xiàn)成可用的來(lái)源采集能量后，不需要電線或電池就能無(wú)限期地為應(yīng)用供電，也可以延長(zhǎng)電池供電型系統(tǒng)的工作時(shí)間。不過(guò)，要想成功地實(shí)現(xiàn)一款能量采集解決方案，就必需詳細(xì)了解環(huán)境能量源的特性和采集器/換能器的輸出功率能力以及系統(tǒng)的功率要求。

Tony Armstrong介紹，一個(gè)典型的能量采集配置或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)由4個(gè)方框組成，如圖所示。它們是：1) 環(huán)境能量源；2) 換能器組件和給下游電子線路供電的電源轉(zhuǎn)換電路；3) 將該節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)實(shí)世界的檢測(cè)組件和計(jì)算組件(由微處理器或微控制器組成，負(fù)責(zé)處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中)；4) 由短程無(wú)線單元組成的通信組件，用于實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無(wú)線通信。

一個(gè)典型的能量采集系統(tǒng)或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要組成方框圖

一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由能量采集電路轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，以給下游電子線路供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數(shù)或測(cè)量值，然后讀數(shù)或測(cè)量值可由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器傳送。

專利、成本和能量平衡是關(guān)鍵挑戰(zhàn)

雖然由采集的能量供電系統(tǒng)已經(jīng)存在多年了，但是開發(fā)人員一直面臨在極低功耗預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的困難。Farris Bar表示，能量收集系統(tǒng)開發(fā)中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是需要確保所收集的能量大于或等于系統(tǒng)消耗的能量。在能量收集系統(tǒng)中平衡能量生成和使用是使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)永久運(yùn)行的關(guān)鍵。

Silicon Labs通過(guò)創(chuàng)建基于其Si10xx無(wú)線MCU(業(yè)內(nèi)最高能效的單芯片MCU)和無(wú)線收發(fā)器解決方案的無(wú)線能量收集系統(tǒng)克服這個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Silicon Labs Si10xx無(wú)線MCU因?yàn)槠涑凸某蔀槟芰渴占瘏⒖荚O(shè)計(jì)的理想選擇，可以在有限能量源(即采用薄膜電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)的太陽(yáng)能電池)下有效運(yùn)行。

Farris Bar表示，自從在2011年夏天推出能量收集參考設(shè)計(jì)以來(lái)，已經(jīng)看到市場(chǎng)對(duì)該解決方案的強(qiáng)勁需求。由太陽(yáng)能收集源供電，Silicon Labs的ENERGY-HARVEST-RD參考設(shè)計(jì)使開發(fā)人員可以為家居自動(dòng)化、安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、基礎(chǔ)設(shè)施以及農(nóng)業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)自我維持、超低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Silicon Labs可提供Turnkey能量收集參考設(shè)計(jì)，以支持客戶實(shí)現(xiàn)高能效的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。

富昌電子產(chǎn)品營(yíng)銷中心分立器件產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Desmond Cheng

此外，能量采集技術(shù)的推廣和應(yīng)用也面臨不少來(lái)自現(xiàn)實(shí)中的挑戰(zhàn)。富昌電子產(chǎn)品營(yíng)銷中心分立器件產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Desmond Cheng表示，能量采集技術(shù)應(yīng)用很廣泛，但在具體將其推廣到亞太地區(qū)尤其是中國(guó)市場(chǎng)時(shí)，還要面臨成本和產(chǎn)品專利保護(hù)的問(wèn)題。

富昌電子能源事業(yè)部正式成立于2009年5月，兩三年前逐漸開始在中國(guó)的業(yè)務(wù)，關(guān)注太陽(yáng)能和風(fēng)能市場(chǎng)，以及智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、能量采集等種應(yīng)用。富昌電子提供相應(yīng)的各類電子元器件，以及參考方案設(shè)計(jì)，并為客戶定制供應(yīng)鏈管理方案。

“成本控制和應(yīng)用需求這兩方面，需要平衡起來(lái)。” Desmond Cheng表示，在能量采集設(shè)計(jì)方案中運(yùn)用到的電子元器件要求體積越來(lái)越小，功耗卻越來(lái)越大，這樣的元器件價(jià)錢實(shí)在不便宜，因此也造成目前多數(shù)能量采集產(chǎn)品成本較高，受眾不廣的窘境。當(dāng)然，隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模擴(kuò)大化，這一情況會(huì)逐漸得到解決。

產(chǎn)品專利保護(hù)問(wèn)題同樣需要時(shí)間來(lái)解決。Desmond Cheng指出，一些小的消費(fèi)類應(yīng)用，例如太陽(yáng)能自發(fā)光背包、太陽(yáng)能LED領(lǐng)帶等，由于所涉及的技術(shù)門檻較低，很容易被跟風(fēng)模仿。只有一個(gè)完善的專利保護(hù)環(huán)境，才更有利于能量采集技術(shù)應(yīng)用走近大眾身邊。