工业网络的太阳能和热源获取能量收集技术

本文着眼于为工业环境中的独立网络节点提供电力，从振动，太阳能和热源获取能量的技术和技术。

能源管理是任何工业运营中越来越重要的一部分。电力和天然气是关键的管理成本，并且控制这些成本可能是一个持续的挑战。同时，可以在车间使用更多联网传感器来监控设备，同时增加能源需求。预计这种机器2机器（M2M）网络单元的市场将在未来十年内增长到超过500亿台设备，并且它们都需要用于运行的电力。

在工业环境中，这些M2M装置通常附近有能源;将网络节点绑定到电源插座可能是昂贵且耗时的。随着芯片制造技术的进步以显着降低功耗，以及可以提供长距离和低功耗的频率和协议选择，这些单元现在可以利用本地环境来产生自己的功率。这种能量可以来自各种各样的来源，从移动设备的振动能量到热差异，甚至来自室内照明的能量。

这些通常与可充电电池一起使用，充电电池充当电源和备用电源，但关键是这些不需要更换，并且可以持续设备的使用寿命，因为它们通过能量收集电路不断充电。这些单元也是独立的，因此它们可以放置在难以触及的区域以及难以更换电池的区域，从而为操作管理者提供更大的灵活性，将这些传感器和网络节点放置在最佳位置。

太阳能

Silicon Labs带薄膜电池的太阳能收集板（图1）是一个评估板，其中包含提供由室内照明或太阳供电的网络节点的所有必要元素。它针对的是定期唤醒以测量和传输结果的系统，并且由于它是从能量收集源供电的，因此薄膜电池的预期寿命大于15年或7000 mAh。这也意味着无线节点可以设计成非常薄的外形，因为电池高度为0.17 mm，以适应最紧凑的空间。

图1：采用薄膜电池的Silicon Labs太阳能收集板的细节。

该系统由两部分组成：无线传感器节点和EZRadioPRO USB加密狗。传感器节点使用Silicon Labs Si1012无线MCU。加密狗使用Silicon Labs C8051F342 MCU和Silicon Labs Si4431无线电，工作频率为919.84 MHz，由太阳能收集电源供电。当无线传感器节点不传输数据时，Si1012无线MCU可以保持低功耗状态，仅消耗50 nA。当启用时，能量收集电源的漏电流大约为3μA，并且可以通过照射到太阳能电池中的50勒克斯来抵消。这允许能量收集供应系统在暗柜中（在ON位置）为系统供电大约七天，或者如果存在补充能量损失的周期性光源则无限期地供电。该系统适用于室内照明（200 lx）和室外照明（10，000 lx）条件。

用于收集能源的能源管理电路包括提供直流能量的太阳能电池，可用于将交流振动能量转换为直流能量的整流器，以及采用直流能量和调节的凌力尔特公司电池管理IC如果电压过低，它还可以通过断开电路来保护电池免于过度放电，并提供“运输模式”，在运输过程中断开电池并使其能量保持到最后用户启动系统。

在能量收集系统中，重要的是保持系统使用的能量低于“收获”能量的量，以防止储存能量的稳定耗尽。能量储存库越大，系统在没有“从环境中”获取新能量的情况下就可以越长。

本参考设计中使用的储能器是IPS的4.1 V，700μA-H薄膜电池。这种电池提供足够的能量存储，以保持系统运行数天，没有任何“收获”的电力。

能量存储器输出端的能量管理电路将4.1 V薄膜电池电压转换为2.7 V稳压电源，供Si1012无线MCU使用。该电路的主要组件是超低功耗LDO，欠压检测器和100μF钽电容，用于提供RF传输所需的峰值电流。 LDO的关断引脚与掉电检测器的输出相连，因此系统在100μF电容充电至少3.0 V之前不会通电。这可确保系统不会尝试上电，除非它有足够的电量储存能量以通过加电序列。

Microchip的XLP 16位能量收集开发套件（图2）也使用太阳能作为工业能量收集应用的模块化开发平台的基础。它基于Microchip的PIC MCU，采用nanoWatt XLP技术，可提供低于20 nA的休眠电流和低至50 nA的欠压复位，从而使系统可以从太阳能电池的少量电源中有效运行。它针对RF传感器，温度和环境传感器，公用事业仪表和安全传感器。

图2：Microchip XLP 16位能量收集开发套件。

该套件的开发板部分具有板载温度传感器，数据EEPROM，电位器，钟表晶体，LED和用于PICtail模块的扩展连接器。这些模块支持RF收发器和SD/MMC卡。

套件的功率由Cymbet的太阳能收集器提供。该收割机采用高效太阳能电池板，适用于室内或室外灯，可在两个Cymbet EnerChip薄膜可充电储能设备中捕获，管理和储存能量。当光线不足时，EnerChips为XLP开发板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet开发的Energy Conscious软件算法监控电源条件和容量。可以通过USB连接将监控的信息报告给PC用户界面。这允许实验和平衡能量收集与能量使用，最大化收集的能量用于工业网络的益处。

热能

为了转换环境中热能的功率，EnOcean的EDK312开发套件（图3）包含一个低功率射频发射器模块，配有珀耳帖效应传感器以捕获热能。

图3：EnOcean EDK312热能收集开发套件。

STM 312 RF模块的工作频率为868 MHz，支持各种无线和热电传感器，如温度传感器，湿度传感器或室内操作面板等。

ECT310 DC/DC转换器的工作温度为20 mV，与用作热电发电机的低成本标准Peltier元件的2 Kelvin温差有关。 Peltier元件的两个极板之间的温差产生电能，并且需要超低压DC/DC转换器以将小输出电压升压到标准电子电路所需的大于3V的电压。

能量产生的效率取决于Peltier元件的热侧和冷侧之间的热传递阻力，因此必须确保两个陶瓷晶片的良好隔热，例如通过使用合适的塑料或泡沫聚苯乙烯。

该套件具有预定义的功能集，可用于能源管理，数据采集，数据处理和无线数据传输。另外，可以基于Dolphin应用程序编程接口（Dolphin API）来实现用户特定应用程序。

振动能量

在工业环境中，也有机会利用振动能量为网络节点供电。一种方法是使用压电传感器，如MidéVoltureV22振动能量采集器（图4）。这通过Midé专利的压电换能器封装技术将来自电机或其他设备的机械振动的其他能量浪费转化为可用的电能。

图4：用于收集振动能量的Mide V22压电传感器。

通过专有的制造工艺，Volture将压电材料封装在具有预先连接的电引线的保护性外壳中，从而产生没有焊接线的坚固元件。保护性皮肤还提供电绝缘和防御工业环境中可见的湿度和苛刻污染物。

通过在悬臂传感器上增加小重量，可以将收割机调谐到特定设备的共振频率，从而提供最佳的功率输出。通常很难利用低压能量清除源，例如低振动幅度的压电能量采集器，因为大多数RF芯片需要1.8V或更高的最小电压才能工作。

使用这些电源需要升压转换器，其启动电压最小，启动电流要求低，并且能够优雅地处理欠压和慢速输入电压上升时间。这可以通过电荷泵芯片提供，该芯片在低至约380mV的输入电压下提供从大约2.4VDC（结束于1.6-2VDC）开始的功率脉冲。这提供了使用小型片上开关（“飞行”）电容器的升压，而不是电感升压转换。这意味着与典型的升压转换器相比，初始输入电流要求降低，只需要一个小的电源旁路电容即可可靠启动。这对于直接为可以执行其功能的小型传感器供电是理想的，例如在已知的时间和功率下记录和传输测量。

能量收集有广泛的电力来源，每个工业环境都有自己的要求。使用来自电机的振动能量来为确定电机运行状况的传感器供电是很有意义的，尤其是当传感器可以通过使用能量收集而无需电源线的无线网络节点连接时。这允许节点深埋在机器内部，提供关于系统健康状况的重要数据，而无需更换电池的额外成本。

利用太阳能甚至温差来为无线网络供电，可以灵活地监控和控制工业设备，并可以更加严格地控制成本。将能量收集传感器，微控制器，无线电收发器和可充电电池组合在一起的详细开发套件可帮助设备开发人员和网络设计人员尝试最有效的方式来获取本地能量来为网络供电。