能量采集应用离我们还有多远？

能量采集的概念已经出现数十年，如何将免费能量转化成电能来提供给不同类型的电子仪器及产品应用，是电子及半导体业界发展绿色能源应用的重要课题。近年来能源危机进一步凸显，绿色环保概念更加深入人心，能量采集技术的应用开始迎来发展的春天。IDTechEx数据显示，运用能量采集技术的电子设备将会急剧成长，预计2019年将会超过2.5亿。

能量采集技术应用范围广泛，目前在我们的周围已经有许多运用了能量收集技术的应用。其中，看好该市场并为采集、转换、储能等环节提供电源管理解决方案和系统支持的供应商包括凌力尔特、TI 、Energy Micro、Silicon Labs等。

凌力尔特公司电源产品产品市场总监Tony Armstrong

凌力尔特公司电源产品产品市场总监Tony Armstrong介绍，具体应用实例包括：轮胎磨损/压力监测器、电感耦合智能电网监测器、HVAC和照明控制系统。飞机健康状况监视和资产跟踪系统很快也将运用能量采集技术。

Silicon Labs公司MCU产品线资深应用工程师Farris Bar

Silicon Labs公司MCU产品线资深应用工程师Farris Bar也认为，能量采集将很快可以大量实施，因为它为诸如车辆、资产监视等典型应用带来便利性和自发维护性。而对于更换电池困难或麻烦的所有应用来说，例如用于家居自动化和安全系统的无线传感器节点，也是一个很好的备选方案，能量采集技术正形成一个超大市场。

积极开拓无线网络新市场

在我们的家庭、办公室、工厂和基础设施中，无线传感器网络的广泛部署为系统设计人员创建独特的无线传感器节点供电方法，从而可以为新一代产品提供灵活的外形选择和增强的功能性，开拓新的市场。Farris Bar介绍，在最近几年中，能量收集已经成为嵌入式系统设计人员的供电选择，使无线传感器节点可以用于之前不能通过传统电池供电实现的应用。例如系统设计人员基于能量采集供电电源构建的超薄无线传感器节点，其传输范围超过100米，使用寿命超过20年。

采用收集的能量源为无线传感器节点供电的能力允许嵌入式设计人员提供可显著降低终端用户成本的无线网络系统，它提供了绿色环境效益，即更少的填埋电池。Farris Bar表示，在未来，除了当前应用广泛的太阳能电池之外，我们将会看到能量收集解决方案供应商提供多种不同类型的能量收集源为无线传感器节点供电。如果无线传感器节点放置在光源无法到达的地方，节点可以通过热、震动(压电式)或甚至无线电波能量收集源提供电源。在使用太阳能电池的示例中，能量管理、存储和无线传感器节点电路本质上是相同的。不管收集的是何种能量源，系统的设计原理都是相同的：捕获有限的能量源并存储到薄膜电池，然后使之为超低功耗无线传感器节点供电。

环境能量源包括光、温差、机械振动、已发送的射频(RF)信号或任何其他能够通过某种换能器产生电荷的信号源。这些能量源都在我们的身边，利用合适的换能器，如面向温差的热电发生器(TEG)、面向振动的压电式元件、面向太阳光(或室内照明光)的光伏电池等，可将其转换成电能，甚至可以利用湿气产生电能。此类所谓的“免费”能量源可用来自主地给电子组件和系统供电。

从现成可用的来源采集能量后，不需要电线或电池就能无限期地为应用供电，也可以延长电池供电型系统的工作时间。不过，要想成功地实现一款能量采集解决方案，就必需详细了解环境能量源的特性和采集器/换能器的输出功率能力以及系统的功率要求。

Tony Armstrong介绍，一个典型的能量采集配置或无线传感器节点(WSN)由4个方框组成，如图所示。它们是：1) 环境能量源；2) 换能器组件和给下游电子线路供电的电源转换电路；3) 将该节点连接到现实世界的检测组件和计算组件(由微处理器或微控制器组成，负责处理测量数据并将数据储存到存储器中)；4) 由短程无线单元组成的通信组件，用于实现与相邻节点及外部世界的无线通信。



一个典型的能量采集系统或无线传感器节点的主要组成方框图


一旦电能产生出来，就可以由能量采集电路转换并调整为合适的形式，以给下游电子线路供电。因此，一个微处理器可以唤醒一个传感器，以获取读数或测量值，然后读数或测量值可由一个模数转换器进行处理，以通过一个超低功率无线收发器传送。

专利、成本和能量平衡是关键挑战

虽然由采集的能量供电系统已经存在多年了，但是开发人员一直面临在极低功耗预算内实现无线传感器节点的困难。Farris Bar表示，能量收集系统开发中的一个主要挑战是需要确保所收集的能量大于或等于系统消耗的能量。在能量收集系统中平衡能量生成和使用是使系统能够实现永久运行的关键。

Silicon Labs通过创建基于其Si10xx无线MCU(业内最高能效的单芯片MCU)和无线收发器解决方案的无线能量收集系统克服这个设计挑战。Silicon Labs Si10xx无线MCU因为其超低功耗成为能量收集参考设计的理想选择，可以在有限能量源(即采用薄膜电池进行能量存储的太阳能电池)下有效运行。

Farris Bar表示，自从在2011年夏天推出能量收集参考设计以来，已经看到市场对该解决方案的强劲需求。由太阳能收集源供电，Silicon Labs的ENERGY-HARVEST-RD参考设计使开发人员可以为家居自动化、安全系统、工业控制、医疗监控、资产跟踪、基础设施以及农业监视系统等实现自我维持、超低功耗的无线传感器网络。Silicon Labs可提供Turnkey能量收集参考设计，以支持客户实现高能效的无线传感器节点应用。[!--empirenews.page--]

富昌电子产品营销中心分立器件产品营销经理Desmond Cheng

此外，能量采集技术的推广和应用也面临不少来自现实中的挑战。富昌电子产品营销中心分立器件产品营销经理Desmond Cheng表示，能量采集技术应用很广泛，但在具体将其推广到亚太地区尤其是中国市场时，还要面临成本和产品专利保护的问题。

富昌电子能源事业部正式成立于2009年5月，两三年前逐渐开始在中国的业务，关注太阳能和风能市场，以及智能电网、电动汽车、能量采集等种应用。富昌电子提供相应的各类电子元器件，以及参考方案设计，并为客户定制供应链管理方案。

“成本控制和应用需求这两方面，需要平衡起来。” Desmond Cheng表示，在能量采集设计方案中运用到的电子元器件要求体积越来越小，功耗却越来越大，这样的元器件价钱实在不便宜，因此也造成目前多数能量采集产品成本较高，受众不广的窘境。当然，随着技术进步与规模扩大化，这一情况会逐渐得到解决。

产品专利保护问题同样需要时间来解决。Desmond Cheng指出，一些小的消费类应用，例如太阳能自发光背包、太阳能LED领带等，由于所涉及的技术门槛较低，很容易被跟风模仿。只有一个完善的专利保护环境，才更有利于能量采集技术应用走近大众身边。