能量采集 IoT 应用的未来

能量采集 IoT 应用的未来

能量采集 IoT 应用的未来

能量采集可为物联网 (IoT) 的发展和改善带来巨大的好处。对于那些无需电池充电器就能操作更长时间的自主和移动应用来说,能量采集是提升其性能水平的一项关键要素。它还能大大降低电池更换的频率,从而节约成本,而电池更换通常比电池本身更花钱。在将智能发挥到极致及将物联网带到众多的新地点和应用中,能量采集扮演着重要角色。Analog Devices 能够通过 Arrow 认证计划和能量采集解决方案助创业者一臂之力。

满足节点的电力需求

现在,我们来了解一下能量采集系统的构建。首先,能量采集传感器将环境能量转化为采集的电力。然后,电源管理装置或 PMU 将采集的电力转化为可用电力。储能器是能量采集发电设计中的第三大支柱。储能器被用作能量缓冲器,为包括传感、数据处理和无线电传输在内的传感器节点电力需求采集能量。

为了最高效地设计一种自供电系统,首先最好是评估一下能够从可用的能量中采集多少电力。对于光伏系统,即是指可用的光能。如果使用热电采集器,需要一种可开发的温度梯度量度,而对于振动采集来说,需要加速度水平和振动频率来开发高效的自供电系统。根据可用的环境能量来选择采集器类型。接下来,能量平衡方程开始发挥作用。设计传感器节点时需考虑到能量预算。利用超低功率系统设计技术来减小传感器节点的电力需求。采集器和储能器的尺寸调整及传感器节点的设计往往是一个迭代过程。

在部署这种新的技术形态时,仍有一些障碍要克服。间歇性和低能级电源会影响到能够采集能量的时间和多少。同时,对更多节点功能和传输海量数据的需求会耗用大量的可用电力。

Analog Devices 可提供能够扫除这些障碍的超低功率解决方案,帮助工程师设计和创造一种新层级的高性能、低功率能量采集应用。

Analog Devices 拥有一系列能够提供高效功率转换和高度优化储能器使用率的 PMU - 且所有这些 PMU 在休眠时都只会消耗很小的电流。ADP5091 超低功率升压调节器 (PMU) 可有效地利用和转换“室内”环境光。其具有低至 10 µW 的有效转换率和不足 µW 的功率损耗。它还能利用开路电压传感来优化能量提取。

另一种类似的 PMU 是 LTC3109 超低功率升压转换器和电源管理器。LTC3109 专门为诸如热电式发电机、热电堆或小型太阳能电池等采用间歇性和低能级电源,从而必须采用低输入电压的应用而设计。

LTC3331 设计用于从两个来源进行多模采集,从而能够在特殊的环境中采集更多能量。此外,诸如太阳能电池或热电式发电机等直流电源能够与高电压压电采集器配对使用,以帮助最大化所采集的能量。

不只是采集:节点智能化

目前,行业正在经历一场边缘传感器设备的范式转变:低功率边缘计算设备正在以较云设备更快的速度发展进步,并能够为边缘设备带来智能性及连接性。因此,从多个输入采集的数据可以融合到单个处理器中。例如,室外空气质量监测系统可以在一个通用传感器节点部署多个气体传感器和颗粒物传感器。

利用智能边缘节点的好处是非常显著的。首先,随着边缘节点具有了智能过滤和决策功能,由于几乎不需要向云端进行电力密集型的数据传输,因此耗电更低。这还会降低延迟。当在节点处理信息时,与需要更多时间来分类、分析和交付结果的向云端发送大量数据相比,这能够更快生成有意义的信息。

智能城市应用

通过减少对电池维护和更换的需求,能量采集可帮助在市政基础设施内偏远或难以抵达的位置实现智能传感。例如,护栏上可装配能够检测碰撞的 ADXL372 传感器。碰撞信息可在本地处理,然后传输到聚合器并向一线救援人员发出警报。这可更快地提供急需的帮助,并可能拯救更多生命。

此外,借助能量采集技术,可在数公里的公路上部署多个传感器和处理器,而无需频繁和花费巨大的电池维护。

在电力计量领域,智能节点也能发挥积极作用。利用一个由许多配备了超低功率无线电的仪表所构成的网状网络,只需一台作业车驶过一个仪表,就能收集整个仪表网络的数据。这能够显著减少收集计费信息所需的人时。

智能工厂应用

超低功率传感还能为工业环境监测带来好处。通过结合 ADXL357 超低噪加速度计和 ADuCM3029 进行边缘节点处理,可利用板载 FFT 处理振动数据,帮助执行预防性维护及检测警告信号。这些信息可帮助工厂人员及早采取纠正措施来避免故障和代价高昂的停工。

虽然云计算在 IoT 领域中得到了更多的关注,但越来越多的创业者和产品开发人员正在认识到在边缘节点收集和处理信息的作用和价值。但需要记住的是,只有当维护这些传感解决方案的成本低于结果数据的价值时,才可能在富数据环境中实现无处不在的传感。其核心就在于能量采集和管理。Analog Devices 的超低功率微控制器和传感产品组合可在节点高效地处理信息,从而让更多的传感系统实现自供电。通过在这些环境中部署自供电的传感器节点,可获得一种总体拥有成本较低的解决方案,在之前被认为是不切实际的区域实现传感,并最终解决之前无法解决的挑战。