物联网传感器的电源管理与能源利用

### 物联网传感器的电源管理与能源技术 #### 1. 电源管理概述 电源管理是一个广泛的话题，涵盖软件和硬件领域。在成功的物联网部署中，理解电源管理的作用以及如何为远程设备和长寿命设备高效管理电源至关重要。架构师需要为边缘设备构建电源预算，其组成部分如下： - 有源传感器功率 - 数据收集频率 - 无线通信强度和功率 - 通信频率 - 微处理器或微控制器功率（与核心频率相关） - 无源组件功率 - 漏电或电源效率低下造成的能量损失 - 执行器和电机的功率储备 电源预算是从电源（电池）中减去这些功率贡献者的总和。电池的功率行为并非随时间呈线性变化，放电时电池能量容量下降，电压会呈曲线下降，这对无线通信系统构成挑战。若电池电压低于最低值，无线电或微处理器将无法达到阈值电压而停止工作。 以TI SensorTag C2650为例，其功率特性如下表所示： | 工作模式 | 电流（mA） | | ---- | ---- | | 待机模式 | 0.24 | | 所有传感器禁用时运行 | 0.33 | | 所有传感器以100 ms/样本数据速率开启并广播BLE | 5.5 | | 温度传感器 | 0.84 | | 光传感器 | 0.56 | | 加速度计和陀螺仪 | 4.68 | | 气压传感器 | 0.5 | 该传感器使用额定容量为240 mAh的标准CR2032纽扣电池，预计最长续航约44小时，但基于电池的设备其电量下降速率并非线性。 #### 2. 电源管理技术 常见的电源管理实践包括： - 对硅片中未使用的组件进行时钟门控 - 降低处理器或微控制器的时钟速率 - 调整传感频率和广播频率 - 采用退避策略降低通信强度 - 使用不同级别的睡眠模式 这些技术在计算行业中普遍应用，属于反应式电源管理技术，基于动态电压、频率缩放等方案来尽量减少能源使用。未来可考虑的新技术包括近似计算和概率设计。近似计算可在硬件或软件中实现，通过降低整数精度来减少功耗；概率设计则利用物联网部署可容忍一定程度故障的特点，放宽设计约束。这两种技术相比传统硬件设计，能使门数量和功率近乎呈指数级下降。 #### 3. 能量收集 能量收集并非新概念，但对物联网很重要。任何状态变化的系统（如热到冷、无线电信号、光）都可将其能量转化为电能。一些设备仅依靠能量收集供电，另一些则是混合系统，利用收集的能量延长电池寿命。收集的能量可存储并用于为物联网中的低能耗设备（如传感器）供电。系统需高效捕获能量和存储功率，因此需要先进的电源管理。例如，嵌入人行道的压电机械能量收集系统，在人流量不足时需进行补偿，且与能量收集系统的持续通信会进一步消耗功率。通常，物联网部署会采用低待机电流、低漏电电路和时钟节流等先进电源管理技术，以防止功能完全丧失。 能量收集系统一般能量潜力低、转换效率低，架构师应在有大量未利用废能的场景（如工业环境）中考虑采用。常见的能量收集方式如下： - **太阳能收集**：光（自然或人造）能量可被捕获用作能源。可使用多个光电二极管构建传统太阳能电池板，能量生成容量与太阳能电池板面积有关。室内太阳能发电效率低于直接阳光照射，太阳能电池板以最大功率输出（瓦）来评级。太阳能收集效果受季节和地理因素影响，美国西南部地区太阳能资源丰富，而阿拉斯加能量密度最弱。太阳能光伏效率通常在8% - 20%，典型值为12%。25 cm²的太阳能电池板在峰值功率时可产生300 mW。此外，光线入射角也会影响效率，当光线垂直照射时效率最高，角度变化会使效率下降。基本的太阳能收集器是太阳能电池，它是一种简单的p - n半导体，捕获光子时会在p和n材料之间产生电势。 - **压电机械收集**：压电效应可用于传感器，也可用于发电。机械应变可通过运动、振动甚至声音转化为能量，这些收集器可用于智能道路和基础设施，根据交通流量收集和改变系统，即使嵌入混凝土中也能工作。此类设备产生的电流在毫瓦级别，适用于有能量收集和存储功能的小型系统，可通过MEMS压电机械装置、静电和电磁系统实现。静电收集利用法拉第定律，通过改变线圈中的磁通量感