工业物联网能量收集设计方案

电源

技术公司和云服务提供商之间的合作，继续为更加多样化的设备连接到物联网的产业网络（IIoT）创造了一系列新的机遇。机器学习在云中，能量收集技术和超低功耗的无线电传输的组合提供用于监控建筑物和设备，而无需硬接线电源或通信连接的灵活的基础设施。

能量收集无线传感器和开关非常适合于智能建筑应用。本站由热，光或运动的环境中，他们不需要电池来获取和发送数据。这允许温度，湿度和运动传感器，以及致动器，被几乎任何地方放置。所使用的无线协议允许传感器相互和控制器，或者“网关”，其可以连接至云，以使“智能”建筑物范例通信。这允许用户监控和从任何地方控制自己的家中或办公室与互联网连接。

智能建筑正在由公司提供一个“平台即服务”（PaaS的）解决方案，这使监测和云控制的智能设备所需要的技术实现。为了提供一个完整的解决方案，PaaS的供应商正与技术供应商合作，以更好地整合自己的产品。这通常涉及创建真实世界设备，其保持与被控制的开关或致动器同步的一个“化身”。对偶提供本地和远程控制或监视，而不引入不必要的延迟到系统中，并且它汇集两个不同的技术领域。争夺在IIoT市场份额无线协议包括通用标准，如蓝牙，ZigBee和线程，以及更专注的专有解决方案。

EnOcean公司已自供电无线传感器的主角多年，可以说是在超低功耗能量收集无线技术的领导者。它的能量收集入门工具包的开发是为了让工程师和OEM厂商方便地访问自供电无线技术。它包括太阳能供电的温度传感器和机电按钮开关。他们与该公司专有的管理软件，海豚沟通，通过一个插入主机USB端口的收发器。软件和硬件驱动程序支持所有主流操作系统，包括Linux。该系统可以被配置成在一系列用作连接到智能家居平台的互联网网关单板计算机上运行。

该EDK 350通过建立入门工具包提供了一个更全面的为开发环境。它包括一个更宽范围的自供电传感器，以及机械能发生器。所有的EnOcean模块旨在让免维护运行多年。

该技术的全面的方法的到免维护的传感器技术的好例子是STM332U太阳能供电温度传感器，其工作在0℃至40℃±1ķ在整个范围内的典型准确度。这些模块配有预先安装的太阳能电池，并用作能量存储装置250μF的电容器。充满电后，它可以运行在高达数天没有进一步的太阳能。所述STM332U的图1的简化方框图说明了海豚EO3000I系统级芯片（SoC），作为系统的心脏。该SOC集成了一个微控制器和RF收发器，使其能够发射和接收使用仅由太阳能电池提供的能量数据。

图1：从EnOcean公司清道夫发送模块的简化框图。

图2示出了发射模块充电电路。用于测量和发射周期所需的电荷为约130μC，而单独测量所需的充电状态刚好30μC。

图2：清道夫发送模块充电电路。

的EDK 350套件还包括：所述DolphinAPI（应用编程接口），它允许开发者自己的固件添加到模块; DolphinView，用于可视化由模块发送和接收的消息的工具; 和DolphinStudio，一个编程环境，让开发人员能够海豚的SoC更大的访问。此视频提供了如何将模块STM330可以使用软件来配置的概述。使用该试剂盒，OEM厂商可以建立一个完整的智能建筑平台，准备将数据传送到基于云的算法。

发展，从收集的能量运行的传感器产生一些特殊的设计要求。通常，所述传感器将需要某种形式的处理加上一个通信信道。对于打算远程传感器位于电源的地方无法使用，这是不可能会有任何形式的有线通信，无论是。出于这个原因，从收集的能量运行的大多数远程传感器将使用低功率的协议来无线地连接。

这些要求仅因为无线通信本质上是耗电的，尤其是当无线连接的质量受到干扰化合物的挑战。因此，远程传感器将有可能发射不大，很少以节约能源。现在有一个更大范围的超低功耗微控制器，具有可集成无线收发器，但这并不能完全解决设计挑战。

在能量收集应用，整个系统需要超低功耗，先从电源管理。A“正规”的电源管理办法不太可能在能量收集工作，因为，简直是太多能量转换和调节的过程中浪费。这导致引入的电源管理芯片（PMIC）专门针对能量收集应用的新范围。

这包括从S6AE10xA能量收集的PMIC 赛普拉斯半导体，如刊登在CYALKIT-E04套件。此试剂盒包含两种开发板设有专门为无线传感器节点开发公司的PMIC，与传感器板和太阳能模块沿。所述的PMIC旨在对于采用太阳能电池，电容器的存储和原电池，并消耗少至280 nA的操作时的电路。所述的PMIC集成开关存储收获功率在两个电容器，自动路由电力来存储电荷在初级或剩余电容器，因为它达到预定水平，或者如果需要的话切换到主电池。图3a示出了S6AE102A / S6EA103A的框图。

图3a：从赛普拉斯半导体能量收集PMIC的框图，靶向能量收集无线传感器节点。

在两个部件之间的主要区别是，只有在本S6EA103A（图3b示出了S6EA103A的结构框图）的中断信号特征的功率门控控制。

图3b：在S6EA103A能量收集PMIC从赛普拉斯半导体无线传感器的特征在于可用于进一步降低系统功率消耗的中断定时器模式。

该CYALKIT-E04提供了评价这些PMIC的一个简单的方法。传感器板包括磁性门传感器（簧片开关）和环境光传感器，以用于额外的传感器的扩展板支撑沿，并且通过从赛普拉斯网站可用的软件完全支持。

尽管意在沿着微控制器进行操作，如从赛普拉斯在PSoC，所述的PMIC的功能可以充分利用评估板（图4）进行评价。

图4：CYALKIT-E04从赛普拉斯半导体包括对两个其PMIC的用于能量收集的无线传感器节点的开发评估板。

当所包含的太阳能电池板被连接时，在电路板的LED将闪烁，指示它正在接收的环境条件下的电荷。所述能量源的亮度会影响LED闪烁的频率。的时间间隔是在200勒克斯16秒8秒，在500勒克斯，并下降到在1000勒克斯3秒。该试剂盒也可以用来演示如何PMIC可以从太阳能电池管理超级电容器的充电。所述的PMIC还集成了一个比较器和低压差（LDO）调节器，它也可以使用该试剂盒进行完全评估。在PMIC的可用定时器操作通过连接到专用的输入和使用所述评估板跳线控制外部电容器设定。该器件还包括一个专用的电压输出，用于向另一个赛普拉斯评估板供电时，CY8CKIT-042-BLE，蓝牙低能量先驱试剂盒将允许一个完整的无线传感器溶液进行评估。

结论

能量收集预计使传感器发挥物联网的工业互联网的重要作用，在几乎任何地方放置，形成一个自治和免维护的无线网络的一部分，提供资产的远程监控。的能力收获足够的能量来运行在网状网络中的无线传感器将创建一个广泛的应用范围，不再由断电的情况下的限制。