近年来，物联网开展招引了很多出资，尤其是在机对机 (M2M) 接口技能和大数据处理范畴。物联网指的不只是经过互联网衔接个人电脑和智能手机，还包含数十亿“物体”与设备之间的衔接。但是，如何为这数十亿设备供电是规划工程师现在着力考虑的难题并需求寻求出卓有成效的处理计划。虽然传统电池电源能够处理供电问题，但有必要经过收购、保护和后期处理程序。而且，当设备设备在偏僻方位时，愈加大了保护电源的难度。
作为代替计划，能量搜集技能能够为遥距物联网设备和传感器直接供电，并带来巨大效能。现在商场上已有几种可行的技能，大部分现已开端投入布置运用。其间包含能量搜集PMIC 产品和很多低功耗的微控制器，能够满意遥距物联网设备的供电需求，然后推动物联网增加。
有了能量搜集处理计划，电子体系就能够在没有传统电源的情况下独立运作。但是，不管这种计划多么的便利和灵敏，能量搜集技能仍是具有必定的多面性和局限性的。这是一个可行的处理计划，但绝不是一个简略的计划，有必要从功率分配的视点精心挑选 PMIC 产品和能量贮存设备。此外，能量搜集功率也是能量搜集设备规划的重要因素。
本文将介绍能量搜集、能量贮存和电源办理处理计划的长处、构建以及开展趋势。
能量搜集是什么?
能量搜集指的是搜集环境中简略取得的少数非传统能量并将之转化为电能的进程。获取的电量可直接运用或贮存下来留作未来运用。关于无法运用本地电网的遥距布置设备，能量搜集处理计划在为各类电子设备供给可代替电源方面表现出杰出的作用。
所搜集的能量可来自于无线电能量(RF 源)、压电元件的振荡动能、压力能或许光电电池的光能。接着将搜集到的能量转化为电能，并贮存在经用贮存电池中，如电容器。能量搜集体系一般包含用于产生或获取能量的电路，以及配有用于电源办理和保护的附加电路的存储设备。
能量搜集技能运用不只限于延长物联网设备的电池寿数，还能够用作工业、商业和医学运用的替换电源，如可穿戴电子产品、可植入设备、长途腐蚀监测和结构检测等。
为什么能量搜集对物联网设备来说如此重要?
物联网开展现已成为最具潜力、盈余最丰盛的商场机会，猜测到 2020 年，将会有超越 300 亿台物联网设备。在不久的将来，简直每一台设备，从传感器、仪器、轿车、可穿戴电子产品以及温度调节器、冰箱等嵌入式体系都将会衔接到互联网。
抱负状态下，这数十亿件小型便携的设备将衔接至无线网络并具有较长的运用寿数。电池好像是一个不错的挑选，但要在小型设备内设备电池，一般都不太可行。此外，电池保护和替换的本钱也不低。考虑到咱们需求足够的电源，能量搜集将会是处理电池问题的可行办法。实际上，能量搜集能够支撑电子体系依托环境电源运作几年。
能量搜集的根本构建模块
能量搜集体系的根本构建模块一般包含：
换能器和转化电路：换能器从不同的电源中获取非传统能量，并转化为电能。典型的换能器示例包含：光电电池转化光能、热电设备转化热能、压电元件转化振荡动能等等。
能量贮存设备：例如电池和超级电容器，可用于贮存转化生成的电能。
电源办理电路：电源办理电路由一个稳压器组成，依据体系的要求进行电源办理。
现在的开展趋势与技能
如前所述，咱们能够从各种不同的非传统能量中搜集电能，如太阳光、射频信号和振荡动能等。每一种类型的能量搜集都需求电源转化电路、能量贮存设备和 PMIC 产品。
搜集太阳能：小型太阳能电池含有光电电池，能够将光能转化成电能。但是，对室内运用来说，环境光一般不是十分激烈，强度一般约为 10 µW/cm²。室内能量搜集体系搜集的能量遭到太阳能模块尺度巨细、环境光强度及光谱组成的约束。一般来说，太阳能电池搜集的电能能够用于电池或超级%&&&&&%器的充电，然后为设备供给安稳的电源。现在，此类太阳能电池已广泛运用于顾客运用和工业运用中，如玩具、手表、核算器、路灯、移动电源和卫星。
搜集动能：压电换能器遭到振荡和移动时能够产生电能。因而，设备能够将振荡产生的动能转化为 AC 电压，AC 电压经过调整后，向体系供给电力。有多种不同的办法能够搜集来自动能的能量。例如，用户按下遥控器按钮时产生的能量能够搜集起来用于发送一个低耗能的无线电信号。同样地，当有人走过期，设备在地砖底下的压电换能器也能产生电能，能够为小型显示屏或紧急灯供电。
搜集热能：热电能搜集器的作业原理依据塞贝克(Seebeck)效应，依据两个不同导体接合处的温度差而产生电压。运用由体系内温度改变而产生的电能，能够运作供电好几年，尤其是低功耗电路规划的体系。这种技能在收回热量丢失方面很有用。最新的技能开展将会运用人体热量为穿戴设备的健康传感器供电。
开发东西
因为能量搜集技能产生的能量很少，因而要坚持体系中能量出产和能量消耗的平衡是十分重要的。规划工程师需求细心评价能量需求并挑选相应的组件。依据不同的操作形式，如激活形式、睡觉形式等，物联网设备的能量需求也会有所不同。规划进程中需求进行试验或许会产生过错，有时候还需求进行具体的试验。因而，运用开发套件能够协助开发者进行前期试验并完结体系的初始原型。
现在，出资物联网技能的职业现已引用了多种物联网开发套件。运用职业标准东西今后，能够精确地核算、评价能量生成量和消耗量。例如，赛普拉斯/Spansion 推出了依据网络的 Easy DesignSim 规划东西，让一切用户能够轻松地核算并查询能量搜集量。
图2：能量搜集入门套件，包含了针对最小能量消耗进行了优化的原始无线协议，以及带 ARM Coretex M3 内核的 FM3 微控制器。
赛普拉斯的能量搜集入门套件运用能量搜集技能，简化并加速了无线传感器模组的开发进程。这款低功耗的无线协议能够代替 ZigBee 或蓝牙等低功耗无线协议。套件中的微控制器是赛普拉斯依据Spansion ARM Cortex M3 内核的FM3 微控制器，能够依据不同的 ARM 开发进行定制。
图3：运用能量搜集技能驱动低功耗蓝牙信标的入门套件能够与太阳能电池、压电元件或其他传统配件配套运用
另一个能量搜集入门套件能够协助开发者运用能量搜集技能树立低功耗蓝牙信标。能够运用太阳能电池或压电元件进行能量搜集。此外，该套件可运用 USB 电源供电，并配有 BLE 低功耗蓝牙转化的无线模组。
图4物联网开发入门套件可用于能量搜集
技能应战
在规划物联网设备能量搜集体系的进程中，开发者面对的最大技能应战和操作应战便是要找到一个可行的能量贮存处理计划。开始的产品规划是为了从非充电电池中取得的电力，因其本钱低，而可用性和便利性高。但是，非充电电池的能量资源是有限的，而且需求定时替换。为了处理这个问题，制造商开端运用可充电电池作为首要的能量贮存。
现在，镍镉电池和锂电池等可充电电池已运用于物联网设备中。虽然这类电池的运用十分便利，但具有极高的放电率，每块电池只能够充电放电大约 500 次，约束了电池在物联网运用中的长时间运用。因而，寻觅改善电池技能的处理计划，是规划工程师现在面对的要害应战。
除此之外，规划师还需求战胜供给能量搜集设备功率的首要缺陷。用于将非传统环境能量转化成电能的换能器的转化功率一般约束在10%。别的，用于贮存和转化能量的电路会有能量损耗。加上一切损耗，产品只能取得能量来历约 1% 的能量。因而，规划师需求进行十分细心的剖析和建模，然后经过能量搜集和电路的功率需求来平衡可用能量。
本文扼要介绍了能量搜集、能量贮存和电源办理处理计划的最新技能和开展趋势。有了能量搜集 PMIC 产品，嵌入式电子设备的开发好像变得愈加简略了。在电源办理方面，有越来越多可行的供电技能，能够为家用电器、穿戴设备及电子产品等各种物联网设备供电。在未来几年里，猜测最具开展潜力的技能是为物联网设备供电的无线电力传输、热电技能和太阳能搜集技能。今后，咱们将会看到更多为能量搜集而规划的 PMIC 产品，以及低功耗微控制器，然后推动物联网的行进开展。技能进步将贯穿于顾客、工业和医疗商场等笔直商场中，创造出超乎幻想的新技能运用。
参阅：
[1] AN213948 – Basic Concepts for Energy Delivery
[2] AN210772 – Energy Calculation for Energy Harvesting
[3] AN204360 – Energy Calculation for Energy Harvesting Systems
[4] AN204361 – Hybrid Application using Energy Harvesting PM%&&&&&%
