在边缘IoT设备上实现能量采集的技术对比

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常见的物联网端点大都是传感器,也有可能是不太常见的执行器,它们被无线连接到聚合设备或互联网网关上。通常这些设备会被大量部署在智慧城市、智慧工厂或智慧农业等较大型的场景中。所以对这些设备进行现场维护(例如更换电池)的成本会非常高。此外,更换下来的废电池也会给环境带来越来越不可承受的负担。

在设计端点时,工程师可以通过供给能源来维持设备的寿命,从而避免更换电池。但这可能要花上几年。由于尺寸限制,设备通常需要使用纽扣电池。而如果电量达不到系统要求,则需要选择更大的电池。

另一种方法是重新设计电路,将整个系统的电量需求降低到可用电池的电量存储量以内。但使用上述任何一种方法,或两者结合,都有可能无法达到我们的目标。

微瓦或毫瓦级的微能量可以从周围环境中采集,有助于提供有用且取之不尽的电能。这些电能可作为原电池的补充或替代,具体取决于应用和可用的环境能源。收集和转换的能量可直接为电路供电,也可以将能量存储在缓冲器中以备不时之需。

在任何情况下,我们都需要合适的环境能源来满足应用需求。在物联网端点的各个子系统中,无线部分的能源需求量最大。我们这里的分析可以为能量采集系统的设计和集成提供有用信息。

无线子系统的功耗

选择最合适的无线技术,用尽可能低的功耗来提供所需的数据速率和通信范围至关重要。

如果传感器的位置距离聚合器或网关很近(例如集线器或路由器这些连接到互联网或通过本地电信交换机的设备),那么蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技术可能比较合适,这具体还取决于所需的数据速率以及成本限制。在其他情况下(例如端点分布在较大的地理区域内),则可能需要 LPWAN 或蜂窝无线连接。图 1 比较了物联网应用中主要无线技术的功耗、数据速率、典型最大范围和相对成本。

图 1.:几种常见物联网无线通信技术的比较。 (来源:BehrTech)

覆盖范围、数据速率和功耗都可以用数据表示,这可以进行直接对比。如图 2 所示,无线子系统的功耗可低至 150µW 至 400mW。

图 2: 数据速率、带宽和功耗之间的比较。 (来源:Voler Systems)

为了充分了解对系统整体能源需求的影响,我们还需要考虑占空比。智能表计表等应用需要每天或每隔几天发送几次小数据包。其他设备(例如安全摄像头)则可能需要更频繁或连续地发送大量数据。根据应用的不同,可以在数据传输之前在系统内部进行本地过滤来减少占空比,例如可以在摄像头上安装运动传感器,让其仅在检测到活动时才开始记录,或使用嵌入式图像处理丢弃一些无意义的数据。当然,过滤数据所需要的耗能必须小于通过降低占空比节省下来的耗能,这样才划算。

环境能源

了解到无线子系统所需的能量和功率后,就可以对合适的环境能源和微能量采集技术进行评估了。

适合为这些系统供电的主流微型能量采集技术包括:太阳能电池阵列、通过振动激活的压电或静电转换器,以及能够将温度梯度转换为电动势能(EMF)的Peltier设备等。通过贴片或线圈天线收集到的射频能源往往不适用于大多数物联网应用。图 3 比较了这些技术特有的能量密度。通过这个信息,可以评估使用组件的尺寸和性能,以此来选择技术并开始制定规范。

图 3:所采集环境能源的功率密度。

假设效率为20%,面积为35~40 cm2的太阳能电池可以产生大约0.5瓦的电能。这类产品的成本不到 1 美元,而通常压电采集器的成本至少要高出一个数量级,且产生的能量更少。我们知道,太阳能电池在室内使用时的效率较低。然而,最近推出的一些室内太阳能采集器声称可以为低功率无线设备提供足够的能量。

融合使用

利用这些技术进步,微能量采集可以被用于减少或消除物联网终端上的电池使用。当物联网设备需要传输或接收数据时,能源本身通常不规则且不一定可用,因此我们通常需要一个能量缓冲器或存储设备,可以是可充电电池或电容器(或超级电容器)。如图 4 所示,同时我们还需要一个能量采集电源管理IC (EH PMIC) 来处理子系统采集的能量、管理供给能量缓冲器的电量,并在需要时为负载供电。各种能量采集技术具有不同的电气特性,热电采集器在低电压下会产生连续的直流电流,因此具有低阻抗。虽然太阳能电池也会产生低直流电压,但它的电流和阻抗会随着光照强度变化。

图 4: EH PMIC用于管理能量缓冲器的充电并为应用负载供电。

当今市场上典型的EH PMIC都有固定的架构和输入电压范围,这是为了与特定类型的采集器配合使用。如果单独一个电源不能满足系统的要求,那就不可能使用这种替代采集器来采集额外的环境能源。因此,如果我们需要多种能源融合起来,而且每种能源都需要一个专用的 EH PMIC。这会增加系统成本、尺寸和功耗,并且还会让设计更复杂。

一些 EH PMIC 可以使用外部电路进行修改,以调节能量采集器的输出。然而,为了简化系统设计,Trameto 的 EH PMIC(称为OptiJoule)提供的输入可以自动适应各种类型的连接采集器,并最大程度提高缓冲器的功率供给,且无需外部电路。该产品有多个版本型号,分别用于单个输入或多个(最多四个)输入。多输入版本有较强的灵活性,可连接相似或不同类型的采集器。因此,借助 OptiJoule,微能量采集的能力可以得到提升,也可以将单个 PMIC 用于多种应用,甚至可以在产品开发后期再选择能量采集技术(如果需要的话)。

结论

通过优化无线协议、低能耗微处理器设计、低功耗传感器以及提高微能量采集效率,收集环境能量有助于减少或消除电池使用并延长物联网终端的工作寿命。在对特定微能量收集技术进行融合时,EH PMIC 的最新技术进展可以让系统设计的尺寸、成本和复杂性管理更加灵活。

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