本文著眼于為工業環境中的獨立網絡節點提供電力，從振動，太陽能和熱源獲取能量的技術和技術。

能源管理是任何工業運營中越來越重要的一部分。電力和天然氣是關鍵的管理成本，并且控制這些成本可能是一個持續的挑戰。同時，可以在車間使用更多聯網傳感器來監控設備，同時增加能源需求。預計這種機器2機器（M2M）網絡單元的市場將在未來十年內增長到超過500億臺設備，并且它們都需要用于運行的電力。

在工業環境中，這些M2M裝置通常附近有能源;將網絡節點綁定到電源插座可能是昂貴且耗時的。隨著芯片制造技術的進步以顯著降低功耗，以及可以提供長距離和低功耗的頻率和協議選擇，這些單元現在可以利用本地環境來產生自己的功率。這種能量可以來自各種各樣的來源，從移動設備的振動能量到熱差異，甚至來自室內照明的能量。

這些通常與可充電電池一起使用，充電電池充當電源和備用電源，但關鍵是這些不需要更換，并且可以持續設備的使用壽命，因為它們通過能量收集電路不斷充電。這些單元也是獨立的，因此它們可以放置在難以觸及的區域以及難以更換電池的區域，從而為操作管理者提供更大的靈活性，將這些傳感器和網絡節點放置在最佳位置。

太陽能

Silicon Labs帶薄膜電池的太陽能收集板（圖1）是一個評估板，其中包含提供由室內照明或太陽供電的網絡節點的所有必要元素。它針對的是定期喚醒以測量和傳輸結果的系統，并且由于它是從能量收集源供電的，因此薄膜電池的預期壽命大于15年或7000 mAh。這也意味著無線節點可以設計成非常薄的外形，因為電池高度為0.17 mm，以適應最緊湊的空間。

圖1：采用薄膜電池的Silicon Labs太陽能收集板的細節。

該系統由兩部分組成：無線傳感器節點和EZRadioPRO USB加密狗。傳感器節點使用Silicon Labs Si1012無線MCU。加密狗使用Silicon Labs C8051F342 MCU和Silicon Labs Si4431無線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽能收集電源供電。當無線傳感器節點不傳輸數據時，Si1012無線MCU可以保持低功耗狀態，僅消耗50 nA。當啟用時，能量收集電源的漏電流大約為3μA，并且可以通過照射到太陽能電池中的50勒克斯來抵消。這允許能量收集供應系統在暗柜中（在ON位置）為系統供電大約七天，或者如果存在補充能量損失的周期性光源則無限期地供電。該系統適用于室內照明（200 lx）和室外照明（10，000 lx）條件。

用于收集能源的能源管理電路包括提供直流能量的太陽能電池，可用于將交流振動能量轉換為直流能量的整流器，以及采用直流能量和調節的凌力爾特公司電池管理IC如果電壓過低，它還可以通過斷開電路來保護電池免于過度放電，并提供“運輸模式”，在運輸過程中斷開電池并使其能量保持到最后用戶啟動系統。

在能量收集系統中，重要的是保持系統使用的能量低于“收獲”能量的量，以防止儲存能量的穩定耗盡。能量儲存庫越大，系統在沒有“從環境中”獲取新能量的情況下就可以越長。

本參考設計中使用的儲能器是IPS的4.1 V，700μA-H薄膜電池。這種電池提供足夠的能量存儲，以保持系統運行數天，沒有任何“收獲”的電力。

能量存儲器輸出端的能量管理電路將4.1 V薄膜電池電壓轉換為2.7 V穩壓電源，供Si1012無線MCU使用。該電路的主要組件是超低功耗LDO，欠壓檢測器和100μF鉭電容，用于提供RF傳輸所需的峰值電流。 LDO的關斷引腳與掉電檢測器的輸出相連，因此系統在100μF電容充電至少3.0 V之前不會通電。這可確保系統不會嘗試上電，除非它有足夠的電量儲存能量以通過加電序列。

Microchip的XLP 16位能量收集開發套件（圖2）也使用太陽能作為工業能量收集應用的模塊化開發平臺的基礎。它基于Microchip的PIC MCU，采用nanoWatt XLP技術，可提供低于20 nA的休眠電流和低至50 nA的欠壓復位，從而使系統可以從太陽能電池的少量電源中有效運行。它針對RF傳感器，溫度和環境傳感器，公用事業儀表和安全傳感器。

圖2：Microchip XLP 16位能量收集開發套件。

該套件的開發板部分具有板載溫度傳感器，數據EEPROM，電位器，鐘表晶體，LED和用于PICtail模塊的擴展連接器。這些模塊支持RF收發器和SD/MMC卡。

套件的功率由Cymbet的太陽能收集器提供。該收割機采用高效太陽能電池板，適用于室內或室外燈，可在兩個Cymbet EnerChip薄膜可充電儲能設備中捕獲，管理和儲存能量。當光線不足時，EnerChips為XLP開發板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet開發的Energy Conscious軟件算法監控電源條件和容量。可以通過USB連接將監控的信息報告給PC用戶界面。這允許實驗和平衡能量收集與能量使用，最大化收集的能量用于工業網絡的益處。

熱能

為了轉換環境中熱能的功率，EnOcean的EDK312開發套件（圖3）包含一個低功率射頻發射器模塊，配有珀耳帖效應傳感器以捕獲熱能。

圖3：EnOcean EDK312熱能收集開發套件。

STM 312 RF模塊的工作頻率為868 MHz，支持各種無線和熱電傳感器，如溫度傳感器，濕度傳感器或室內操作面板等。

ECT310 DC/DC轉換器的工作溫度為20 mV，與用作熱電發電機的低成本標準Peltier元件的2 Kelvin溫差有關。 Peltier元件的兩個極板之間的溫差產生電能，并且需要超低壓DC/DC轉換器以將小輸出電壓升壓到標準電子電路所需的大于3V的電壓。

能量產生的效率取決于Peltier元件的熱側和冷側之間的熱傳遞阻力，因此必須確保兩個陶瓷晶片的良好隔熱，例如通過使用合適的塑料或泡沫聚苯乙烯。

該套件具有預定義的功能集，可用于能源管理，數據采集，數據處理和無線數據傳輸。另外，可以基于Dolphin應用程序編程接口（Dolphin API）來實現用戶特定應用程序。

振動能量

在工業環境中，也有機會利用振動能量為網絡節點供電。一種方法是使用壓電傳感器，如MidéVoltureV22振動能量采集器（圖4）。這通過Midé專利的壓電換能器封裝技術將來自電機或其他設備的機械振動的其他能量浪費轉化為可用的電能。

圖4：用于收集振動能量的Mide V22壓電傳感器。

通過專有的制造工藝，Volture將壓電材料封裝在具有預先連接的電引線的保護性外殼中，從而產生沒有焊接線的堅固元件。保護性皮膚還提供電絕緣和防御工業環境中可見的濕度和苛刻污染物。

通過在懸臂傳感器上增加小重量，可以將收割機調諧到特定設備的共振頻率，從而提供最佳的功率輸出。通常很難利用低壓能量清除源，例如低振動幅度的壓電能量采集器，因為大多數RF芯片需要1.8V或更高的最小電壓才能工作。

使用這些電源需要升壓轉換器，其啟動電壓最小，啟動電流要求低，并且能夠優雅地處理欠壓和慢速輸入電壓上升時間。這可以通過電荷泵芯片提供，該芯片在低至約380mV的輸入電壓下提供從大約2.4VDC（結束于1.6-2VDC）開始的功率脈沖。這提供了使用小型片上開關（“飛行”）電容器的升壓，而不是電感升壓轉換。這意味著與典型的升壓轉換器相比，初始輸入電流要求降低，只需要一個小的電源旁路電容即可可靠啟動。這對于直接為可以執行其功能的小型傳感器供電是理想的，例如在已知的時間和功率下記錄和傳輸測量。

能量收集有廣泛的電力來源，每個工業環境都有自己的要求。使用來自電機的振動能量來為確定電機運行狀況的傳感器供電是很有意義的，尤其是當傳感器可以通過使用能量收集而無需電源線的無線網絡節點連接時。這允許節點深埋在機器內部，提供關于系統健康狀況的重要數據，而無需更換電池的額外成本。

利用太陽能甚至溫差來為無線網絡供電，可以靈活地監控和控制工業設備，并可以更加嚴格地控制成本。將能量收集傳感器，微控制器，無線電收發器和可充電電池組合在一起的詳細開發套件可幫助設備開發人員和網絡設計人員嘗試最有效的方式來獲取本地能量來為網絡供電。