如果它不是機器人或機床，那么您的物聯網項目很可能是（或包含）遠程傳感器節點。它可能會使用小型電池為自己供電。理想情況下，物聯網項目中能量收集的目標是完全消除電池。更有可能的是，能源將被要求補充電池的輸出；使其使用時間更長。因此，能量收集的發展有兩個重點：一方面，我們正在研究能量轉換本身（不是一項成熟的技術，但它不會很快離開我們）。另一方面，我們正在研究超低功耗傳感器節點組件，其納安級功耗對電池壽命的影響最小。

具有諷刺意味的是，一些遠程傳感器節點被稱為“能量收集器”（公司產品文獻中的“EH”）。他們使用以最小電流運行的組件，例如以每 MHz 微安運行的微控制器。EH 開發套件的宣傳主題不是將環境能量轉換為可用直流電壓的技術，而是系統組件——傳感器、信號調節 IC、微功率控制器和通信端口——其超低功耗使電池實際上過時的。

事實是，能量收集技術實際上仍處于起步階段，盡管有幾種不斷發展的技術：例如，光伏電池板可用于大規模電力轉換。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。但大規模儲能仍然是一個挑戰。電容式存儲系統——有些像自卸卡車一樣大——提供可用的長期能量存儲，但對于移動系統（嵌入式）來說，它們幾乎不便攜。

能量收集技術仍然是能量收集傳感器尺寸的關鍵。高功率系統依賴于更大的能量轉換器：太陽能電池每平方厘米提供 100 mW 的功率——這個正方形足以為袖珍計算器供電。但是你可以通過收獲收集的能量從那里開始下降。熱梯度采集器每平方厘米提供 10 mW；振動（壓電）每平方提供 100 微瓦 （100μW）。射頻 （RF） 能量收集器——似乎很受歡迎，因為要收集的能量太多了——每平方厘米產生 0.1 μW（100 皮瓦）。

能量收集技術 雖然不是特別高，但環境能量轉換器的效率取決于它們運行的環境。完全荒謬的是，雖然可以（使用染料升華技術，DSSC）調整太陽能轉換器對室內照明波長的靈敏度，但您不會從鎖定在室內壁櫥中的太陽能電池中獲取太多能量，例如熒光管發出的那些（約 600 nm）。

壓電設備（不同金屬的“三明治”）可以通過機械變形產生可用電壓，但與傳感器的面積和變形相比，所收集的電力仍然非常小。你可以用鞋子里的壓電設備產生的能量給手機電池充電，但這是一個星期的努力。

據英國博爾頓大學的研究人員稱，壓電纖維可以制造發電織物。

熱梯度是一種不同類型的“三明治”，它聲稱具有高轉換效率和高輸出。它使用塞貝克效應，將半導體夾在熱板和冷板之間。雖然倡導者聲稱轉換效率很高，但收集的電量是冷熱板的函數——它們的大小以及冷熱金屬之間的溫差。差值越大，可用電能的量就越大。但是這種類型的能量轉換在溫差很大的地方效果最好——比如加拿大北極地區的熱板。

壓電能量收集器的應用包括運動組件和振動監視器。無線 HVAC 傳感器和移動資產跟蹤在制造商的產品文獻中被確定為可行的傳感器；壓電設備似乎更適合感測機械力和變形，而不是氣體條件（如溫度和濕度）。

智能建筑應用 智能建筑 的能量收集器主要是 HVAC 傳感器，用于監控會議室的占用情況（紅外功能）以及空氣溫度、濕度和二氧化碳含量。其他智能建筑傳感器監控照明（包括窗戶燈、房間燈和窗簾控制）。安全傳感器查看非法房間占用和入侵。公用事業監控執行抄表和電力使用的非高峰控制。提供“平臺即服務”（PaaS） 的 EH 系統與云服務交互，從而實現藍牙和其他網絡通信。

郵箱功能（如設備服務標簽）與微控制器配合使用。對于數據記錄應用，EH 模塊將支持冷凍食品運輸的冷鏈時間和溫度監測。醫療應用包括智能貼片，其中傳感器查看血糖、體溫、濕度、pH 值和氧氣。（例如，德州儀器公司的 Web 上提供了氣體檢測器參考設計。）

另一個有趣的趨勢是使用需要降低功耗的微型嵌入式電池。與 Cymbet 生產的硅電池一樣，硅電池將從各種來源進行電路充電（見圖2）。

圖 2：零功率傳感器可以從幾乎任何環境中獲取能量。能源包括光、振動、流動、運動、壓力、磁場和射頻。

保持小 作為一項技術發展，模擬半導體制造商已將研發精力放在超低功率半導體上，而不是太陽能電池或特殊調諧的振動傳感器上。可穿戴設備、遠程傳感器節點（包括網狀網絡）、移動傳感器（如氣體檢測器）和運動檢測器需要小型（甚至微觀）能量轉換器，而不是使用像火車車一樣大的采集器。

因此，半導體制造商在其數據表和白皮書中發布的建議強調超低功耗。Analog Devices 的 LTC3588、Maxim 的 MAX17710 或 Texas Instruments 的 bq25504 等信號調理 IC 強調超低電流消耗，即使在多個混合負載下也是如此。例如，3588 的文獻表明它針對壓電輸入進行了優化，盡管它們的高阻抗可以與多種能源一起使用。3588 本質上是一款具有 450nA 靜態電流的低功率 AC-DC 轉換器。它將接受 2.7 V 至 28 V 的輸入，輸出低至 1.8 V — 壓降不超過 400 mV。

Maxim 聲稱其 MAX17710 將管理輸出電平范圍為 1 μW 至 100 mW 的調節不佳的電源。該設備可以從各種能量轉換源提供超過 20 mA 的電流。同樣，TI 的 BQ25504 本質上是一種超低功耗、高效率 DC-DC，可從低輸入源（例如 80 mV）提供連續能量收集。其靜態電流小于 330 nA。

EH 處理器 MCU 功耗規范同樣側重于超低功耗應用。從技術上講，功耗是消耗的電流（微安或納安）乘以產生的電壓（通常以毫伏為單位）的組合。在能量收集器的接收端，該數字可能以微伏為單位。

常見的物聯網設計目標是最小化用于激活節點的設備的尺寸和電流消耗，但這足以為嵌入式電池和/或各種低功耗組件充電。

ARM Cortex M的各種變體宣揚其看似無窮小的功耗：例如，Atmel 32位ARM Cor皮質M0+在主動處理模式下的功耗為35μA/MHz。處理器在睡眠模式下總共消耗200 nA。Ars Technica說，如果我們談論的是保持電池壽命，這種微控制器的低功耗將使這種能力不僅持續數年，而且持續數十年。

另一個例子，賽普拉斯半導體的無線傳感器能量收集 PMIC 具有長間隔中斷定時器模式，可以通過長時間待機來延長電池壽命。它與賽普拉斯 PSoC 等低功耗微控制器一起運行。

Texas Instruments 自己的 ARM Cortex M 版本 MSP432 擁有 80μA/MHz 的有效電流消耗和 660nA 的待機電流消耗。

當然，TI 在有關微控制器功耗的教程中建議，實際處理器功耗反映了幾個不同操作階段的聚合。這些將包括活動和睡眠模式。在嵌入式系統應用中，微控制器可能在其生命周期的大部分時間里處于休眠狀態。睡眠模式功耗可能是更有用的規范，而不是對多 MHz 時鐘的響應。

因此，延長電池壽命似乎完全取決于睡眠和活動時間的比例。TI 建議微控制器功耗“不是一個數字”。

審核編輯：郭婷