無(wú)線獲能，破解低功耗及無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電解藥

幾年前，物聯(lián)網(wǎng)突然出現(xiàn)在全球視野中，人們對(duì)此充滿期待，期待它如何萬(wàn)物互聯(lián)并改變這個(gè)世界。專家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模做了許多瘋狂的預(yù)測(cè)。例如，思科預(yù)測(cè)2015年接入到物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備數(shù)量將達(dá)到250億，到2020年預(yù)估會(huì)翻番，但有不少人產(chǎn)生懷疑。為了驗(yàn)證這些疑問(wèn)，有關(guān)機(jī)構(gòu)選取了某一接入物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)達(dá)地區(qū)，計(jì)算了實(shí)際連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量按比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)測(cè)的數(shù)字。

影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量最大的因素是供電方式，它困擾和阻礙著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，想象一下用有線電源和電池為數(shù)十億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電這樣的規(guī)模就已經(jīng)很夸張了，如果有更好的能源解決方案那更難想象它的體量了。了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特性：經(jīng)濟(jì)性、便利性和覆蓋范圍。但現(xiàn)今卻要被必須使用電池供電的美好物聯(lián)網(wǎng)繁榮景象所束縛。很明顯，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要更輕巧、更快速的電源解決方案供電。眾所周知，一些綠色電源解決方案已經(jīng)很成熟，但它們并不完全符合為超小型低功耗MCU和傳感器供電的要求。它們需要一種能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備，非常特殊的綠色能源來(lái)替換。

能量收集技術(shù)

正是在這種需求下，我們似乎找到了神丹妙藥—能量收集技術(shù)。能量收集技術(shù)為我們構(gòu)造了不受電池使用限制的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

這個(gè)技術(shù)其實(shí)很易理解 —我們周圍的環(huán)境充滿了有各種各樣的能量，包括：地?zé)?、太?yáng)能和振動(dòng)等產(chǎn)生的能量，其中大部分都有被使用，但就是沒(méi)找到一種方法來(lái)收集這些能量并用它來(lái)為超小型設(shè)備供電。

由于它受所處環(huán)境下或者自身體積限制不便使用太陽(yáng)能或振動(dòng)等產(chǎn)生的能量，所以就需要用到一種特殊物體—無(wú)線電波，它消除了線材、空間和日照的約束，不論在哪里、什么時(shí)間都存在。而且無(wú)線電波有低頻電波、高頻電波和超高頻電波，它發(fā)射的能量也是不同的。這種能量可以是任何類型的無(wú)線電波，例如由 TV/FM 電臺(tái)、WiFi路由器、蜂窩基站或雷達(dá)發(fā)出的無(wú)線電波?？傊蔁o(wú)線電波發(fā)射而收集的能量轉(zhuǎn)化成電能，這里統(tǒng)稱為無(wú)線獲能（RF Energy Harvesting）。

無(wú)線獲能 - 基礎(chǔ)知識(shí)

僅僅對(duì)無(wú)線獲能的基本印象就應(yīng)該讓您清楚地了解為什么它會(huì)像某些綠色能源解決方案吸引如此巨大的目光。無(wú)線電波無(wú)處不在，而且你根本無(wú)法避免繞開它們。此外，無(wú)線獲能技術(shù)特別適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特殊需求：超小型體積，并且通常設(shè)計(jì)為在極其惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)行。在許多情況下，傳感器是嵌入式系統(tǒng)(如體內(nèi)健康監(jiān)視器或其他工業(yè)解決方案)的一部分，它們無(wú)法進(jìn)行維護(hù)或更換電池,只有通過(guò)無(wú)線獲能技術(shù)為其提供電能。

這使得無(wú)線獲能技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備近乎理想的電源解決方案。它能從電池的這種電源解決方案中超越的另一個(gè)原因是，無(wú)線電波基本是零成本且隨時(shí)隨地能獲取。如果使用電池的話，無(wú)論它們多便宜或耐用，但積累到一定數(shù)量和年限，都會(huì)有成本高昂且使用壽命的問(wèn)題。想想在一套包含數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，對(duì)這些電池進(jìn)行維護(hù)、充電或更換是一件多么令人頭疼的工作。

無(wú)線獲能如何工作？

根據(jù)特定應(yīng)用的預(yù)期功能和細(xì)節(jié)，無(wú)線獲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)有所不同。有幾種構(gòu)建無(wú)線獲能器的方法——但從根本上說(shuō)，所有能量收集系統(tǒng)都基于一些通用組件和工作原理。

智漢科技研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這套無(wú)線獲能解決方案，包含一個(gè)轉(zhuǎn)化單元，用于收集來(lái)自無(wú)線電波發(fā)射源的能量并將其轉(zhuǎn)換為電能，第二部分就是電能儲(chǔ)能單元，它包含電壓變化監(jiān)控器和儲(chǔ)能電容器。第三個(gè)組成部分是處理所產(chǎn)生電能的調(diào)節(jié)管理，這一部分將轉(zhuǎn)化的電能調(diào)節(jié)為恒定值的電壓，調(diào)節(jié)器可能包括調(diào)節(jié)器和復(fù)雜的控制電路，它們可以根據(jù)實(shí)時(shí)電力需求和電力可用性智能地管理和分配電力。

這三個(gè)組成部分串聯(lián)起整套無(wú)線獲能電路模組，這個(gè)模組型號(hào)就是R915PW，它是一款收獲射頻能量將其轉(zhuǎn)化為2-5V直流電壓的設(shè)備，智漢科技設(shè)計(jì)的915MHz高增益天線，空曠演示距離可以達(dá)到10m?？梢怨┑凸脑O(shè)備比如低功耗MCU、傳感器、BLE藍(lán)牙和LED指示燈工作。具有在惡劣環(huán)境或者不便供電的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程供電等領(lǐng)域。

特性

? 高轉(zhuǎn)化效率

? 輸出電壓可設(shè)置，通過(guò)采樣電阻

? 最低可達(dá)-10dBm的輸入功率

? 寬頻率操作范圍300MHz-2.4GHz

? 低射頻能量，長(zhǎng)距離能量變換

? 300MHz to 2500MHz（頻率可設(shè)）

此無(wú)線獲能模組R915PW特別適用于智漢科技開發(fā)的超低功耗藍(lán)牙模塊RC2202A，模塊工作電壓3.3V，待機(jī)功耗低至0.85uA，廣播周期500ms低至9.68uA。配合無(wú)線獲能技術(shù)非常適用于Beacon設(shè)備和電子門鎖。

總結(jié)

無(wú)線獲能為物聯(lián)網(wǎng)供電解決之路帶來(lái)重大的意義，它解決了超低功耗及無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了零成本、不間斷供電以及綠色可持續(xù)發(fā)展的愿景。

但無(wú)線獲能不會(huì)影響和降低研發(fā)人員對(duì)低功耗應(yīng)用的設(shè)計(jì)價(jià)值追求，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)邊緣應(yīng)用中，人們將始終關(guān)注于以最低功耗實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力最大化。

審核編輯 黃昊宇