振动能为传感器网络注入环境智能

2007 年8月1 日，位于明尼阿波利斯的 I-35W 密西西比河大桥轰然坍塌，有 13 人遇难，100 多人受伤，这场悲剧揭示了美国全国所面临的一个严重问题。大家所依赖的大部分交通基础设施日趋老化，因此需要维修。事实上，联邦公路管理局 (Federal Highway Administration) 早在 2006 就已经列出：全国有四分之一以上的桥梁均存在严重问题，有的存在结构缺陷；有的已经丧失功能。我们又该如何在避免将来再次发生此类灾难的同时延长这些设施的使用寿命？
外观检查显然已不能满足检验需求：I-35W 大桥已经通过了例行外观检查。更新颖、全面的检查方法是利用传感器监测架构振动，然后将监测结果发送到数据收集点分析何时何处有可能出现问题。过去获得大桥这种详细结构分析不但难以实现，而且成本高昂。为每个传感器发射器供电通常需要昂贵的布线；即使设备的运行不采用电源与通信线路，也需要例行维护，以便更换电池。出于维护需求，禁止将传感器布置到难以接近、但可能对监测非常有利的地点，因此就无法收集到充足的数据，安全性随之严重降低。
不过，AdaptivEnergy 公司目前推出的一项新技术有可能将远程架构与安全监控变得既简单、又经济。AdaptivEnergy 的 Joule-Thief 技术并不依赖电池运行，它能够收集并储存振动产生的能量，然后利用储存的电量驱动微处理器、各种传感器以及无线发射器。德州仪器 (TI) 超低功耗微处理器 (MCU) 与射频 (RF) 技术可收集振动数据，控制系统整体运行，并且每隔一段时间向收集点发送一次消息。
Joule-Thief 能够收集交通工具经过大桥时产生的振动能量，然后将桥梁上所有传感器的数据发送到收集点，在此进行分析，以监控结构牢固性。Joule-Thief 驱动的无线传感器可在无需维护的情况下全年运行，收集并发送重要信息，帮助保护大桥、楼宇、车辆以及机械设备中的生命并节约其成本。
实现环境智能
Joule-Thief 技术属于一种可利用振动能的能量收集新技术。由于我们周围的一切都存在不同程度的振动，因此几乎任何东西都可成为潜在的能源。可能最古老的能量收集形式是利用流水转动轮子，不过目前最著名的形式是利用太阳能电池板、风力涡轮机等电力来源。为了满足少量用电需求，射频识别 (RFID) 无线收费标签、仓库货盘标记、信用卡刷卡系统 (wave-and-go credit card) 等众多应用有时会采用环境无线电波。这些标识卡片被动接收来自 RFID 读取器的能量，然后发出用于识别的小能量响应。
此外，Joule-Thief 技术还可收集机械、车辆、楼宇以及如桥梁等其它架构产生的一般机械振动能。小型传感器发射器可安装到车门、电动马达基座等狭小空间。传感器在这里无需电池、电源线路或通信布线即可进行工作，而且能够在不需要维护情况下无限期工作。因此，该技术尤其适合需要长使用寿命、高温运行或者人员难以接近的应用中。此外，它还可用作在环境条件需要时“唤醒”休眠电子产品的有效方法。
在 AdaptivEnergy 准备设计其 Joule-Thief 技术时，其工程师在即将开始开发时遇到了对最终结果产生重要影响的选择。
在开发过程前期，AdaptivEnergy 认识到他们还需要采用具有超低功耗、成熟的信号处理能力来达到设计目标。其中一个原因是，在振动水平较低时，能量收集设备一般只能收集很少的能量，因此用于收集传感器信息、控制系统运行并且发送相关信息的微处理器以及 RF 收发器需要能够利用少量功率即可正常运行。
利用现代超低功耗微处理器的另一个优势是能够从待机与关闭状态立即唤醒。尤其是 MSP430 MCU 在工作期间功耗极小，在待机模式下功耗仅为可忽略不计的 0.5µA，而且可在不到 1微秒内唤醒。MSP430 MCU 混合信号集成功能有助于降低 AdaptivEnergy 的组件总数，从而可改善数据监控与处理性能，同时还可降低成本并缩短产品上市时间。
在对比众多不同选择的性能与价格之后，AdaptivEnergy 选中了 TI MSP430 MCU 与 RF 收发器芯片组，因为它们能够利用能量收集器产生与储存的低电量提供尽可能高的处理与传输能力。图 1 与图 2 将能量积累与恢复时间同输入振幅进行了对比。
实现低成本环境智能的关键是通过收集的能量驱动传感器发射器，这种智能可感测、监控并报告工厂、办公室、车辆、住宅、购物中心、交通枢纽等 — 总之，涵盖几乎所有人类环境与自然环境的状况。在每年安装的亿万个无线传感器节点中，越来越多的节点由收集的运动能量驱动。
构架监控不但对桥梁重要，对高楼大厦与体育馆等建筑物同样如此，因为其中被忽视的立柱与横梁腐朽有可能造成灾难。在工厂的马达与其它机械设备中，传感器可提醒工作人员注意磨损的轴承以及需要维护的其它问题，预测故障，帮助避免高成本的故障，从而延长设备使用寿命。
而潜在的回报非常丰厚：设备行业信息来源估计基于资产监控的预防性维护每年可节省数百亿美元，可能占每年美国在机械维护方面开支超过 1.3 万亿美元支出的 5％。其它节约主要来自运行中功耗与机械设备更换频次的降低以及设备停机时工厂停产时间等方面。
汽车中由振动供电的无线传感器可提高安全性，同时还有助于减轻装配线路中每辆汽车重达 300～500 磅的布线。振动供电的胎压监控系统可取消当前系统的电池。
能量收集传感器对于航空业具有与其对车辆相同、甚至更高的重要性。除其它功能之外，此类传感器还可针对航空器框架的完整性进行安全性监控，甚至可从无法进入的隐蔽或偏僻空间或者温度极高的地方进行监控。商业飞机中每英尺布线就会消耗大约 2000 美元的安装与终生维护成本，这还不包括消耗的燃油或备用电池。通过消除布线与电池，具有无线传输功能、由振动供电的传感器可为这个对成本敏感的行业节省大量资金，将重量、空间以及燃油消耗降至最低。
Joule-Thief 用于采集能量的运动可以来自机械振动之外的运动源，如：压力或气流；而其输出除为振动传感器供电以外，还可针对温度、化学、光线、湿度以及其它环境条件传感器提供动力。实现基于传感器的自动化不但可节约能量成本，而且还可使家庭与工作场所变得更环保、舒适。
列车车厢与集装箱可将振动供电的器件用于协助跟踪的有源射频识别 (RFID)。这种技术最终可能用到人类的服饰，以减少我们携带的电池数量，这种应用尤其是对减轻战场上士兵的负担具有重要意义。此外，AdaptivEnergy 还与 In-Q-Tel 达成了战略协议，该公司是一家发掘可为美国情报机构的使命提供支持的创新技术、以便开发情报收集应用的公司。
高效能量收集
Joule-Thief 技术的核心是一种压电陶瓷智能能量束 (Smart Energy Beam)，可对运动做出响应，然后将振动转化成能量，以便储存供随后使用。AdaptivEnergy 的 Ruggedized Laminated Piezo (RLP) 技术可为压电陶瓷材料预先施加应力，以达到超过非应力陶瓷的功率至尺寸与重量比。用于将陶瓷与金属衬底粘结在一起的高级聚酰亚胺工艺允许对陶瓷施加高 4～10 倍的应力，因而可提高电力。此外，RLP 技术还使能量束能够感测到人手感觉不到的运动，从而可有效收集广泛振动频谱范围内的能量。
由于 Joule-Thief 能量束具有可扩展性，因此它们可根据应用的功率需求制成各种长度与宽度。AdaptivEnergy 开发了效率较传统整流与电容器储存技术高得多的电子设备，可将电能储存许多小时，在必要时，甚至可在机械静止环境中储存，从而实现对所产生能量的收集。此外，如果相关应用需要更高能量储存，则设备的 DC 输出还可馈送到电池充电电路。
超低功耗控制与传输
基于由 MSP430F2274 MCU 与 CC2500 RF 收发器组成的芯片组的有源智能与通信可完善 RLP 智能能量束与收集电子产品。CC2500 RF 收发器可在 2.4GHz 频段支持可靠的低成本数字无线应用。MSP430 MCU 在工作以及待机模式下具有极低功耗。整个系统如图 3 所示。
不足 1 微秒的待机模式快速唤醒可提供快速响应，而片上系统 (SoC) 集成帮助 AdaptivEnergy 公司节省了空间与电路板成本，同时还可实现适合各种环境智能应用的免维护无线传感器。集成模数转换器 (ADC) 与脉宽调制 (PWM) 输出简化了 AdaptivEnergy 将传感器系统连接到外部电路的设计，而多样化时钟方案与 I/O 可提高嵌入式控制灵活性。在传感器发射器用于规模更大的系统时，闪存可实现用于感测、通信以及其它功能的算法与控制软件的轻松开发与升级。
能量收集是一个重要的电源技术新领域，该技术可利用建筑构架、车辆以及机械内在的振动产生电能，无需布线与电池，即可驱动传感器，从而不但可满足风力与太阳能系统的大规模需求，而且还可满足传感器等器件的小规模需求。本文所介绍的方法可实现更广泛的环境智能，以提高安全性与可靠性，同时还可降低各种应用领域的重量、空间以及安装与维护成本。