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November 18, 2016 08:43

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能量收集技术的演变

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物联网与可穿戴技术为从环境中收集能量的能力创造了更多新的设计机遇

多年以来,从环境中收集能量为传感器和电子设备供电一直都是系统开发人员追求的最高目标。随着物联网和智能家居的出现,我们能够将传感器和制动器放置到任何地方,而且不必担心电力和数据链接问题,这提供了更大的灵活性。

虽然那些在背面配有电池的无线传感器节点已经能够做到这一点,但是收集太阳能、热能或者甚至是振动能或射频能量将能够延长节点可以工作的时间,而且不必更换电池。在拥有成千上万个节点的系统中,这是一个必不可少的要求,能量收集电力系统的良好设计可以延长或者甚至是消除电池更换周期,并且可以节省相当可观的运营支出。

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在最近几年里,多种因素合在一起让能量收集变成了一个有望成功的发展前途。摩尔定律和半导体加工技术的发展导致传感器、微控制器和无线收发机的电力需求陡然下降。最新设备(如 Silicon Labs 的 Leopard Gecko 微控制器EnOcean 的 STM320 收发机)的设计对电力的要求已经是在微安范围以内,但是仍然提供了智能家居所需的处理性能和数据链接。例如,这让太阳能面板可以从室内照明中生产足够的电力。  

图像 - Silicon Labs’用在一款低能耗健康跟踪装置中的  Leopard Gecko

能量收集源的效率也得到了改进。最新的太阳能面板在效率上提升了 15 至 20%,借助开发套件(如 Silicon Labs 的开发套件),它可以为本地处理或较大功耗的传感器供给更多的电力,或者为较不突出的无线节点提供较小的电池。

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多年以来,从温差中收集能量也得到了改进。这对与最新的智能恒温器(如 Nest)相连的发热元件(如散热器)上的传感器和制动器尤为有用。随着薄膜式沉淀工艺技术变得越来越经济实惠,这种方法也被用来制造使用珀尔帖效应的能量收集引擎。如今这些引擎能够利用几度的温差来给温度传感器和制动器供电。     

图像 - Silicon Labs 的能量收集参考套件

能量收集技术的采用得以增加的另一个因素是电力管理设备的改进。能量收集混合了非常低的能级和巨大的脉冲猝发,而许多传统的电力管理芯片都无法应对这一问题。新一代的电力管理芯片可以处理弱电流和宽量程的能量输入,而且还可以管理电池子系统。

改进超低功率无线链接的标准和互操作性也促进了能量收集的利用和开发。EnOcean 联盟如今拥有逾 350 家公司,它们供应各种各样的能量收集设备。其范围涵盖了从使用压电晶体产生一道电力来发送信号的开关的动力源,到太阳能近距离传感器和占用传感器,以及热能供暖和窗户控制器。安装此类自我供电系统能带来的节省,在几个月的时间里就能通过电力帐单金额的减少而得到补偿,而且收集到的数据还可以在云端进行分析,以便进一步优化大型和小型建筑物的运转。对于 EnOcean 联盟来说,这是通过一个功率非常低的无线协议实现的,该协议将所有不同的设备都联接起来,而且它已被发布为一个开放标准。

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EnOcean 联盟能源收集设备

 

还有其他的联盟和行业团体(尤其是在建筑自动化领域)也在利用能量收集技术和确保来自不同制造商的产品可互操作。开放协议团体(如 Thread 和 Alljoyn)也将目标放在提供一个开放式环境上,这样智能设备(其中许多都将使用能量收集技术)就能够轻松而又安全的互联了。

此外,能量收集正变得越来越个人化。随着可穿戴系统(如智能手表)变得越来越流行,对人体周围个人区域网络 (PAN) 的开发也在日益增加。这些系统可以从人体的热或运动中产生电力,利用鞋子或者甚至是衣服中的那些压电晶体发电。研究人员已经证明,可以将金属纤维织入到衣服中,当人走来走去时,衣服会发电。这可以用于人体周围的传感器,以便给个人电子设备(如手表和手机)进行再充电;或者甚至是给缝在衣服上的 LED 供电,以用来改变 LED 灯的颜色或拼写信息。 

通过降低或者消除对充电电池的需求,能量收集技术正在开创新的设计领域。从可以放置到任何地方的智能传感器和制动器,到利用步行或衣服供电,开发人员将有机会在新的地方提供电力和智能。 

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November 18, 2016 08:43

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