如果你的物聯網(IoT)專案不是機器人或機器工具,那麼它可能是(或包含有)遠端感測器節點,它將會使用小型化電池為自身供電。理想情況下,物聯網專案中採用能量採集(Energy harvesting)技術為的是完全去掉電池。更有可能的情況是,所採集的能源是用來補充電池輸出,從而使電池使用時間更長。因此,能量採集的發展有兩個焦點:一方面,要著眼能量轉換本身(該技術尚未成熟,但不久以後會湧現大量應用);另一方面,業界正在研究超低功耗感測器節點元件,nA級的功耗對電池壽命的影響極小。

具有諷刺意味的是,一些遠端感測器節點被稱為「能量採集器」(在某些產品資料中稱為「EH」)。它們使用只需很小電流就可工作的元件——如μA/MHz級功耗的微處理器。EH開發套件的發展主題不是將環境能量轉換為可用直流電壓的技術,而是感測器、訊號調理IC、微功耗控制器和通訊連接埠等超低功耗系統元件,從而使電池顯得可有可無。

事實上,儘管有若干不斷演進的技術(例如可以利用太陽能面板進行大規模能量轉換),能量採集技術實際上還處於起步階段。目前,屋頂太陽能電池板可以轉換足夠的能量來為家庭或辦公室供電,但大規模儲能仍是挑戰。電容式儲存系統(一些與翻斗車一樣大)可提供長期可用儲能,但對於嵌入式行動系統來說,這類系統基本不具可攜性。

能量採集換能器(Transducer)的尺寸仍然是能量採集技術的關鍵。大功率系統依賴於更大的能量轉換器:太陽能電池可提供100mW/cm2功率——1cm2就足以為袖珍型計算機供電。但是透過其他能量採集技術採集到的能量卻達不到這個指標,熱梯度能量採集器可提供10mW/cm2;振動(壓電)能量採集器可提供100μW/cm2;射頻(RF)能量採集器由於有太多的能量可以收集,似乎很受歡迎,但它才產生0.1µW(100pW)/cm2

能量採集技術

環境能量轉換器的效率雖然不是特別高,但仍受其工作環境的制約。舉個荒謬的例子,儘管可以使用染料敏化太陽電池(DSSC)調節太陽能轉換器對室內照明波長(例如由螢光管發射的約600nm波長)的靈敏度,你也不會從鎖在室內衣櫃中的太陽能電池採集到很多能量。

壓電元件(異質金屬「夾層」)可以透過機械形變產生可用電壓,但與感測器的面積和形變相比,採集的電能仍然非常小。可以用鞋內的壓電元件產生的能量為你的手機電池充電,但這需要一周的時間。

熱梯度是一種不同類型的「夾層」,聲稱具有高轉換效率和高輸出。它利用的是塞貝克效應(Seebeck effect),且半導體夾在熱板和冷板之間。雖然支持者聲稱具有高轉換效率,但是採集的電量是熱冷板(它們的尺寸和冷熱金屬之間溫差)的函數,溫差越大,可用的電能就越大。但是,這種能量轉換方式只有在溫差大的地方(例如在加拿大北極地帶有一塊熱板),效果才最佳。

壓電式能量採集器的應用包括運動元件和振動監視器。無線HVAC感測器和行動資產跟蹤在各製造商的產品資料中被確定為可行的感測器;壓電元件似乎更適合於檢測機械力和形變,而不是氣態條件(如溫度和濕度)。

智慧建築應用

智慧建築用能量採集器主要是HVAC感測器,用於監視會議室佔用的情況(紅外線功能),以及空氣溫度、濕度和CO2含量。其他智慧建築感測器用於監控照明(包括窗燈、房間燈和遮陽控制);安全感測器用於檢查房間非法佔用和侵擾。電力公司監控可執行抄表和電能使用錯峰控制,EH系統提供「平台即服務(PaaS)」雲服務交互,可實現藍牙和其他網路通訊。

郵箱功能(如設備服務標籤)與微控制器配合使用。對於資料記錄應用,EH模組可支援冷凍食品運輸的冷鏈時間和溫度監測;醫療應用包括智慧貼片,其中感測器用於監測血糖、體溫、濕度、pH值和氧氣含量。

壓電元件的一個交叉應用可能是汽車輪胎壓力感測器,它報告氣體產生的機械力。壓電運動檢測器應用的一個有趣的新趨勢是將其整合到織物中,這種技術可用於穿戴式裝置。

20171103NT02P1 圖1 壓電運動檢測器應用的一個有趣的新趨勢是將其整合到織物中,這種技術可用於穿戴式裝置。(圖片來源:博爾頓大學,University of Bolton)

保持小體積

在技術開發方面,模擬半導體製造商將其研發工作重點放在超低功耗半導體,而不是太陽能電池或特定調諧振動感測器。穿戴式設備、遠端感測器節點(包括網狀網路)、行動感測器(如氣體檢測器)和運動檢測器需要小型(甚至微型)能量轉換器,而不是使用像鐵路機車那麼龐大的能量採集器。

20171103NT02P2 圖2 零功耗感測器幾乎能夠從任何環境中收集能量。能源包括光、振動、流動、運動、壓力、磁場和RF。(圖片來源:Cymbet)

因此,各半導體製造商在其資料表和白皮書上發佈的公告都強調超低功耗。例如亞德諾(ADI)LTC3588、Maxim MAX17710或德州儀器(TI)bq25504這樣的訊號調理IC即使在多種混合負載情況下也強調超低流耗,如LTC3588的資料顯示,儘管其高阻抗輸入可以針對各種能源,但它對壓電輸入進行了最佳化;LTC3588本質上是一款靜態電流為450nA的低功耗AC-DC轉換器,其輸入範圍為2.7~20V、輸出可低至1.8V,壓差不超過400mV。

Maxim聲稱其MAX17710能管理穩壓較差的輸入源,輸出功率範圍為1μW~100mW,該元件可以從多種能量轉換源提供超過20mA的電流。TI的BQ25504本質上同樣是一款超低功耗高效率的DC-DC,可從低輸入源(例如80mV)提供連續的能量採集,其靜態電流小於330nA。

EH處理器

微控制器功耗的規範也類似關注超低功耗應用。技術上,功耗是流耗(μA或nA)與生成電壓(通常為mV)的乘積。在能量採集器的接收端,這個數字可能是μV。

IoT常見的設計目標是盡可能減少啟動節點用元件的體積和流耗。系統模組(除電源管理元件之外)包括感測器、感測器訊號調理電路、微控制器(μA級流耗)和用以通知資料差異的通訊元件(如低功耗藍牙,BLE)。

ARM Cortex-M的各個版本都誇耀其看似極微的功耗,例如Atmel(已被NXP收購)32位元ARM Cortex-M0+在運作模式下的功耗為35μA/MHz,該處理器在休眠模式下總共消耗200nA。美國科技部落格ARS Technica上的文章「New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades」指出,如果我們談論持久的電池壽命,那對這款低功耗微控制器來說,就不僅僅是幾年,而是幾十年。

另一個例子,賽普拉斯半導體(Cypress)無線感測器用能量採集電源管理IC(PMIC)具有長時間間隔中斷計時器模式,可透過利用長時間間隔待機來延長電池壽命,它並與低功耗微控制器(如賽普拉斯的PSoC)配合工作。

MSP432是TI版的ARM Cortex-M,具有95µA/MHz的工作電流和850nA的待機電流。

當然,TI在一份微控制器功耗教程中提出建議:實際的處理器功耗反映的是幾種不同工作情況的總和。工作情況包括運作模式和休眠模式。在嵌入式系統應用中,微控制器在大部分時間可能會休眠,因此,與數MHz時脈下的回應相比,休眠模式功耗可能是更有用的指標。

因此,延長電池壽命似乎完全與休眠和活動所用時間的比例相關。TI建議,微控制器的功耗「不只是一個數字」。