怎样经过能量搜集技能延伸无线传感器节点的电池续航？
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公布工夫：2021-11-19
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【导读】无线传感器节点正越来越多地使用于米乐的一样平常生存中，由于它们合适在多种多样以及难以抵达的情况中利用。它们不必要接通电源，由于它们通常都毗连到电池。
无线传感器节点正越来越多地使用于米乐的一样平常生存中，由于它们合适在多种多样以及难以抵达的情况中利用。它们不必要接通电源，由于它们通常都毗连到电池。但是，电池的续航才能是有限的，电量用完的电池必需举行改换或充电，但改换电池必要破费工夫和精神，并大概发生十分高的本钱。假如能延伸电池续航工夫，就可以制止如许的题目，同时还意味着短命命使用也可以利用独立的传感器节点。这可以借助能量搜集来完成。能量搜集器可以从情况中搜集可用的能量，如机器能、热能或光伏能量，并将其转化为电能。本文将展示差别的能量搜集技能和无效存储所搜集的能量所需的电路。
能量搜集技能
无线传感器节点 (WSN) 可以感知、处置和传输特定的参数。它们关于情况和布局监测具有紧张意义，在医疗范畴也使用于监测人体安康。它们通常由电池供电，而且常常永劫间利用，以是电池续航工夫对它们而言至关紧张。
这些传感器节点通常用在难以抵达的地方，要在电量用完时举行充电或改换电池，会是一件十分昂贵的事变。现在有多种办法可以低落WSN能耗并大幅延伸电池续航工夫，包罗调治WSN外部的功耗，以及经过编程的方法依据忙闲度来控制其运转，使之在通常状况下继续运转在低功耗形式（深度就寝）下，只在较短的工夫内激活以便实行数据收罗、盘算、丈量和通讯等义务。
很多新兴使用都必要数十年的网络寿命，仅靠电池曾经难以满意需求。假如要将无线传感器摆设到运转工夫凌驾电池续航才能的临时使用中，可以经过能量搜集器来延伸电池续航工夫，确保WSN可以自我供电，终极到达所需的续航工夫，详细完成方法如(图1)所示。
图1：由能量搜集供电的无线传感器节点表示图（图源：贸泽电子）
要借助能量搜集器为WSN供电，起首要观察可用的情况能量泉源，次要包罗光、热、机器振动、射频
(RF)
和风。要将从这些能量泉源搜集的能量变化为电能，必要接纳响应的换能安装，比方经过光伏电池搜集室内照明能量、经过压电元件搜集振动能量，以及经过热传导发电机
(TEG) 搜集温差能量。随后，必要经过电源办理电路将搜集的能量贮存到电池或超等电容中。
电源办理
电源办理电路的目标是将能量搜集器与传感器节点毗连起来，同时尽大概高效地转化搜集到的能量。在电源办理电路中，起首要思索的是搜集器的输入电压，由于差别范例能量搜集器的输入电压是差别的，比方热传导发电机输入的是毫伏级另外直流电压，而压电发电机输入的是几伏到几十伏的交换电压。关于后者，电源办理电路必需对能量搜集器的输入举行整流，并将电压转换至1.8V到3.6V之间，也便是传感器节点的尺度事情电压。别的，电源办理电路的外部阻抗必需婚配压电发电机的阻抗（通常为数千欧至数兆欧），从而尽大概高效地传输能量。
整流
发生交换电压的能量搜集器品种包罗电磁式（射频）、电磁式（机器）、静电式和压电式，它们发生的交换电压必需颠末整流才干供WSN利用。整流是电源办理电路所需的第一个局部，(图2)所示即为毗连到压电元件的全波桥整流电路。
图2：毗连到压电元件的整流电路（图源：贸泽电子）
相比单二极管而言，桥式整流器是更受接待的选择，由于它能提供全波整流，将交变电压变更为直流脉动电压。关于真正的二极管，必需要思索正向电压，硅二极管的正向电压为0.7V，锗二极管为0.3V，肖特基二极管仅为0.1V。电容Cr（图2）用作腻滑电容。在此例中，整流电压以电能的情势贮存在电容器中，并为负载RL供电。
DC/DC转换器
电源办理电路的另一大次要功效是调治能量搜集器发生的电压。假如电压太低，就必需降低电压；反之，假如电压太高，就必需低落电压。要让WSN正常事情，就必要将事情电压波动在1.8V和3.6V之间，而且要以尽大概高效的方法来举行，从而只管即便低落能量丧失。别的，电源办理电路还卖力为WSN电池充电。为了简化设计历程，有多种产品可用于处置由能量搜集器供电的WSN的电源办理。
e-peas
AEM10941是一款能量搜集电源办理集成电路，可从最多7芯的太阳能面板中获取直流电。该产品接纳超低功率升压转换器，可以为锂离子
(Li-ion)
电池、薄膜电池或超等电容充电。AEM10941具有超低功率冷启动功效，可以在输出电压低至380mV、输出功率仅3μW的状况下启开工作。它有两种电源电压：
LVOUT（高压），1.2V或1.8V，用于向微控制器供电。
HVOUT（高压），可为无线电收发器供电，电压可以在1.8V到4.1V之间举行设置装备摆设。
两种电源电压选项的产品均接纳高效的高压差 (LDO) 稳压器驱动，以确保低噪声和高波动性。(图3)所示为AEM10941的典范使用。
图3：AEM10941使用实例表示图（图源：e-peas）
Analog
Devices
LTC3331是另一款多合一电源办理IC电路，可以毗连到接纳压电、太阳能或磁力等能量泉源的能量搜集器。该产品集成了全波桥式整流器，而且联合了降压开关稳压器和降压-升压开关稳压器。别的，该产品装备片上优先排序器，可依据搜集的能量或电池的可用电量选择符合的转换器。LTC3331可以处置3V至19V之间的能量搜集输出电压。该产品还包括低静态电流并联电池充电器，可使用搜集的能量为锂离子电池充电。(图4)所示为LTC3331典范使用的电路表示图。
图4：LTC3331典范使用电路表示图（图源：Analog Devices）
存储
可充电电池和超等电容是最常呈现的两种储能产品。超等电容相似于传统的电容器，但它们可以以较小的尺寸完成十分高的容量，而且与可充电电池相比具有多少上风，比方：
· 超等电容可以依据必要频仍充放电，而电化学电池的典范寿命不敷1000次。
· 超等电容可以经过复杂的充电电路疾速充电，低落了体系的庞大性，并且无需借助掩护电路来避免过分充电或过分放电。
· 泄电流和自放电对电池和超等电容都市组成影响。电池的好处是自放电题目比超等电容小得多，由于电池的比能较高，可以使电荷坚持更永劫间。
结论
如今，我面必要提出的题目是：能量搜集值得吗？这取决于你想要运转多永劫间的使用。可以确定的是，能量搜集的确可以延伸电池续航，以支持WSN运转更永劫间，但只要当搜集的能量可以满意WSN的功耗时才可行。
