传感器与能量收集
2016-06-03 16:57:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传感器在工厂里，就像工厂地上的油污一样常见。传感器经过几代发展，它们的设计往往遵循三个规则：对被测量的属性敏感；对其它的属性不敏感；并且不影响被测量的属性。但是，随着所有其它的物体都接入了互联网，这三条规则似乎将只适用于传感器的数据收集端。

被称为物联网的万物互联潮，带给我们这样的景象——洗衣机将不断的发送有用的数据至制造商的计算机。不过实际上并非只是电器或者工厂设备与计算机的互联。真正的物联网，是传感器连接、嵌入并指向一切制造的“产品”，并将它们联接入网。这些传感器都集成数字处理器，它们要比之前的模拟传感器复杂得多。

MEMS传感器也常应用于物联网器件。这些微型加速度计、陀螺仪和磁力计，是那些消费类产品价格区间的便携设备实现运动追踪和位置感知的关键技术。它们的功耗要大于或等于那些被动传感器。

这些传感器都需要能源维持运行。我们无法想象，在未来的工厂里到处都是电线，在为那些实现机器互联的物联网传感器供电。我们同样也不会想去为它们更换电池，传感器的数量太多也太麻烦。新一代的智能、物联网传感器需要新的供能方法。

能量收集

麦姆斯咨询认为电池供电的传感器节点，无法完全满足物联网传感器的所有要求：寿命、成本、可靠性和传输覆盖范围。市场上出现了新一代利用热能和动能的技术，它们将环境能源转换为电能，为数字传感器内建了电力来源。可利用的能量来源有光能、热能、磁场以及动能。这种技术被称为能量收集。

能量收集主要能量来源

根据伊利诺伊理工大学（Illinois Institute of Technology，简称IIT）Purushottam Kulkarni的研究，利用再充电和性能参数的调整，能量收集传感器节点有潜力解决寿命和性能这两个矛盾的设计目标。

市场对自我供能的传感器需求增长越来越快。根据市场调研公司Markets & Markets的数据，2015年能量收集传感器的市场总量为9.74亿美元，Markets & Markets预测，从现在到2022年，能量收集传感器市场的复合年均增长率将达19%。

自供能无线传感器网络

宾夕法尼亚州立大学是众多研究物联网供能的研究机构之一，其核和机械工程学院的Aman Haque教授称这是一项巨大的挑战。Aman Haque 说：“预计到2025年，基本上所有的东西都有其自己的IP地址，就像我们的电脑一样，而且它们将能够发送和接收数据。”由于这些新型数字传感器节点需要收发数据，这提高了它们的功耗。Haque和他的团队，正在为这些新型数字传感器开发新的供能方法。“这项研究的挑战在于，如何几乎是‘从无到有’地得到非常少量的能量，” Haque说，“我们要利用光能，可是光强很低。我们要利用热能，可环境温度可能仅有人体体温这么高。”

Haque的团队正专注于从非常低强度的能量来源收集能源，经济的为无线传感器供能。可利用的能量来源包括光能、热能、磁场和动能。在大学内做研究的同时，Haque已经成立了一家创业公司，将他们开发的能量收集技术实现商业化。

产业领导者EnOcean公司

EnOcean公司提供多种支持全球通用频段的能量收集无线传感器

EnOcean公司是新兴的能量收集无线传感器产业领导者之一。这家位于德国上哈兴的公司，可能拥有着最久远的传感器能量收集技术专利。这家从西门子独立出来的公司，目前在销售动能、太阳能和热转换的能量收集产品。为满足全球兼容性，其传感器的数据发送频段为最常用的868MHz、 902MHz和 928MHz。每个无线电信号占用信道的时间是1毫秒，传输速率125KB/s。每个传感器模块都有一个唯一的32位身份识别码。EnOcean首席执行官Wald Siskens说：“无需电池的无线传感器打开了人们生活中许多不同领域的大门。”

Chevron公司的能量收集应用

2015年在美国丹佛举办的艾默生全球用户交流大会（Emerson Global Users Exchange）上，Chevron公司的工程师Greg LaFramboise展示了Chevron公司如何利用热能收集技术为无线和有线器件提供能源。其有益效果包括更低的安装成本，以及部署更多监测点位的能力。Chevron公司已经用新型无线传感器取代了生产设施中传统的现场监控设备。LaFramboise称新型传感器的自动数据获取功能提升了监控能力。其它趋势数据现在正在通过所有的远程传感器以最低的成本进行收集。

但是更多的数据传输需要更多的能源消耗。有些传感器的数据发送频率高达每秒一次。而且接近这些传感器往往比较困难，这使得传感器如果仅依赖于电池的话，会是个大问题。Chevron公司将他们的新型传感器连接了来自Perpetua公司的Power Puck热能收集器。LaFramboise称这两者的结合提高了Chevron公司的安装灵活性，因为一个Power Puck能够为三个数据发送器提供能源。

Perpetua Power Puck是一款热能收集器，通过周围温度的变化搜集能量产生电能

Chevron公司应用的能量收集器和传感器主要包括：蒸汽喷射领域应用多个无线发送器匹配一个Power Puck能量收集器，以及利用Perpetua公司的Power Tile能量收集器为移动测试单元供电。LaFramboise称通过这些应用，他们得以将蒸汽喷射应用的更新速率设定为一秒，并去除了移动测试单元应用中的大型铅酸蓄电池。

Perpetua公司总裁Jon Hofmeister说：“Perpetua公司的有线及无线装置应用的能量收集解决方案，为Chevron公司解决了蒸汽喷射的电池限制问题以及移动测试单元缺乏可靠的远程供电问题。”

RIFD和能量收集

射频识别（RIFD）作为智能被动传感器件，其应用越来越广泛。通过射频源扫描RFID标签从而获得数据。Delta航空公司宣布希望用RFID行李标签取代现在条形码技术。Phase IV公司在RFID技术领域成名已久，它近期推出了应用能量收集技术的RFID。

Phase IV公司的新型被动RFID能量收集标签电路板

Phase IV公司能量收集电路为传感器电路捕捉并存储射频能量，Phase IV公司声称：“该技术使相同的纯被动标准RFID标签的读取范围有效扩大了一倍。”这将使更多对功耗敏感的传感器，能够应用到任何有需要的环境中。

从传感器到物联网

比利时微电子研究中心（Imec）和瑞萨电子（Renesas Electronics）这两家欧洲公司，正合作研究超低功耗无线技术。他们的研究目标是实现工业和汽车应用的近场通讯。瑞萨电子通过对其过去的三种模型的改进，已经成功的降低了其传感器无线发射功耗，并符合低功耗蓝牙和ZigBee等新兴的无线标准。

降低传感器网络的功耗和寻求新的能量来源同样重要，Libelium公司的Waspmote开源无线传感器网络平台在休眠模式下，仅消耗0.07 µAin

其它供应商也正为无线传感器网络应用而努力降低其产品的功耗。Libelium公司销售一系列基于开源无线网络平台的传感器节点。超过2000名开发者为Waspmote平台做出了贡献。