從以太中提取能量并為輕便系統(tǒng)供電的采集器

　要 點(diǎn)
　　熱、振動(dòng)和射頻都是潛在的能源，采集器可以將它們轉(zhuǎn)換到微瓦功率量級(jí)。
　　采集器通常要儲(chǔ)存能量供偶發(fā)性使用，設(shè)計(jì)時(shí)必須在能夠偶爾工作的低功耗系統(tǒng)中包含這一部分。
　　設(shè)計(jì)通常要將能量采集與可以利用偶發(fā)低功耗源優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。

　　世上沒(méi)有免費(fèi)的午餐，你的父母可能是這么教你的。當(dāng)然，我們不可能從稀薄的空氣中取得能量，是嗎？但事實(shí)上，人體、工廠機(jī)器、各種型號(hào)的收音機(jī)，以及很多其它東西都在以熱、振動(dòng)或射頻電波形式輻射能量。設(shè)計(jì)者可以發(fā)明一些系統(tǒng)，提取這些零星的能量，并轉(zhuǎn)換用于電源系統(tǒng)，當(dāng)然是極低功率的產(chǎn)品。你不會(huì)很快看到由以太供電的手機(jī)，但可能的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用包括便攜醫(yī)療監(jiān)控儀，甚至家庭自動(dòng)化設(shè)備。

　　能量采集或提取并不僅是為了節(jié)省金錢(qián)，它還能促進(jìn)有吸引力的新應(yīng)用。技術(shù)行業(yè)中有遠(yuǎn)見(jiàn)的人有時(shí)會(huì)談到一個(gè)時(shí)代，那時(shí)我們的生活到處都嵌入了微處理器。借用德州儀器公司（TI）首席研究員 Gene Frantz 在我們 50 周年紀(jì)念刊上的一段話：“差不多可以說(shuō)我們正處在產(chǎn)品消失的道路上，那時(shí)產(chǎn)品將變得如此之小，體積已經(jīng)無(wú)足輕重，但是功能卻非常強(qiáng)大，我們實(shí)際上不知道它在哪里，而只知道擁

有它。”很容易想象，很多這類基于微處理器的裝置在我們身邊，以及在智能電燈開(kāi)關(guān)或溫度計(jì)內(nèi)。

　　可以認(rèn)為，微控制器已經(jīng)滲入了我們的生活。Microchip 首席執(zhí)行官 Steve Sanghi 認(rèn)為：“當(dāng)你早上醒來(lái)，你接觸的第一件東西就是鬧鐘，然后可能是電動(dòng)剃須刀、吹風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、冰箱……當(dāng)你離開(kāi)家時(shí)，你已經(jīng)使用了大量微控制器。然后你坐進(jìn)汽車?yán)?，車上?0種 ~ 50種微控制器，為你增加安全、舒適、便利和娛樂(lè)。”Sanghi 指出，微控制器監(jiān)控著高速公路交通，而在工作中，我們還會(huì)面對(duì)無(wú)數(shù)其它設(shè)備。

　　今天，一個(gè)交流電源或電池可以方便地為所有這些設(shè)備提供電能。但下一步，當(dāng)處理器嵌入到紡織品、墻面、橋梁等所有地方時(shí)，就需要電池的一種替代品，或者至少要有一種共生技術(shù)，它可以從以太中為電池充電，從而大大擴(kuò)展電池的使用壽命。答案就是本文討論的能量采集器，或某種新式小型燃料發(fā)電機(jī)（見(jiàn)附文“芯片上有引擎嗎？”）。

　　正如 TI 公司 Frantz 所指出，采集能量并不新鮮。太陽(yáng)能是一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多年的例子。Franz 說(shuō) TI 的太陽(yáng)能手表和計(jì)算器已有很長(zhǎng)歷史。這些產(chǎn)品使用的電池可以用太陽(yáng)能板進(jìn)行充電。精工(Seiko)還銷售一種手表，它通過(guò)人體熱能供電。

　　還有一些制造商提供的使能技術(shù)實(shí)例，設(shè)計(jì)者能夠以某種方式獲取能量。從參考文獻(xiàn)1中可以找到過(guò)去的技術(shù)報(bào)道和一些產(chǎn)品實(shí)例，例如，本文便涉及EnOcean的兩款產(chǎn)品，它們可以用于家庭或建筑自動(dòng)化設(shè)備。

　　EnOcean提供一種開(kāi)關(guān)，主要用于照明控制，不過(guò)也可以用于控制電動(dòng)窗簾、風(fēng)扇，或其它在家庭或辦公室內(nèi)有墻面開(kāi)關(guān)的設(shè)備。基本產(chǎn)品是ECO 100模塊，公司稱之為一個(gè)“電動(dòng)力”采集器。該模塊采用一個(gè)線圈和磁鐵，兩者共同將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為能量。尤其特別的是，一個(gè)人按開(kāi)關(guān)的動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變的能量，因?yàn)槁菥€管會(huì)改變流經(jīng)線圈的磁通量。公司以前為相同應(yīng)用提供過(guò)一種壓電式采集器，但稱新設(shè)計(jì)效率更高。

　　EnOcean 將 ECO 100 捆綁在 PTM 200 開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)，公司正在照明和其它應(yīng)用中銷售該產(chǎn)品。當(dāng)你按下照明開(kāi)關(guān)時(shí)（圖2），采集器產(chǎn)生足夠的能量，激活 PTM 200 上的一個(gè)處理器和無(wú)線電，然后向接收器發(fā)送三個(gè)短的重復(fù)消息包。你可以將接收器集成在照明裝置中，而過(guò)去你會(huì)用電線連接交流電源和照明裝置。墻面開(kāi)關(guān)既不需要接線，也不需要電池。接收器使用交流電源工作。

　　EnOcean 的銷售與營(yíng)銷副總裁 Jim O'allaghan 稱，與照明控制中的其它多數(shù)嘗試不同，采集器方案具有經(jīng)濟(jì)意義，盡管一個(gè)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比普通直接切換交流電源的墻面開(kāi)關(guān)復(fù)雜。O'allaghan 稱，因?yàn)椴槐赝_(kāi)關(guān)布放交流電線，這樣節(jié)省的費(fèi)用將能抵銷開(kāi)關(guān)和集成在裝置中接收器的較高成本。

　　O'allaghan 說(shuō)，PTM200的售價(jià)根據(jù)批量從10美元~20美元，完成的照明開(kāi)關(guān)大約要50美元（單件）。你可以從 Ad Hoc Electronics 公司購(gòu)買(mǎi)家用開(kāi)關(guān)。Ad Hoc 的網(wǎng)站價(jià)格包括了開(kāi)關(guān)和接收器模塊，模塊中帶有一個(gè)繼電器，用于切換交流電源，小批量?jī)r(jià)格大約是120美元。O'allaghan 稱EnOcean在一個(gè)商用場(chǎng)所就已經(jīng)銷售了3000支~4000支開(kāi)關(guān)。

　　你可以從技術(shù)角度說(shuō)，EnOcean 的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品不是真正的采集器，因?yàn)樗⒉徊杉s散能量。但它確實(shí)能夠憑空完成工作。該公司正在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能產(chǎn)品和熱能產(chǎn)品。參考文獻(xiàn) 1 詳細(xì)討論了太陽(yáng)能產(chǎn)品，它可以在建筑內(nèi)的恒溫器中找到自己的用途。這種產(chǎn)品可以采集白熾光源和熒光光源的能量，并有兩種能量?jī)?chǔ)存形式，即使長(zhǎng)期熄燈情況下也可以運(yùn)行。 　　熱能采集器的制造商利用了 Seebeck 效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，熱電偶通過(guò)冷、熱極板的溫差而發(fā)電。EnOcean 最近在德國(guó)慕尼黑舉辦的 Electronica 展會(huì)上演示了這種熱能采集器。演示相對(duì)比較簡(jiǎn)單。在一個(gè)演示過(guò)程中，一個(gè)人將一只手指放在極板上，產(chǎn)生能激活處理器的溫差，然后將一個(gè)溫度讀數(shù)傳送給連接在筆記本電腦上的接收器。第二次演示則利用了一個(gè)杯中液體溫度與周圍空氣溫度之間的溫差來(lái)產(chǎn)生能量。

　　但是，EnOcean 的熱能采集器也是采能市場(chǎng)上某些障礙的一個(gè)良好例子。EnOcean 的業(yè)務(wù)是設(shè)計(jì)使能技術(shù)。它正在尋找具有能激發(fā)對(duì)終端設(shè)備興趣將技術(shù)推向市場(chǎng)的好思路的合作伙伴?，F(xiàn)在，熱能采集器正在等待著這樣的合作伙伴。
當(dāng)然，也許廣泛部署的最大障礙就是更高效和更低成本的采集技術(shù)。很多學(xué)校和研發(fā)機(jī)構(gòu)都正在從各個(gè)角度研究這個(gè)問(wèn)題。荷蘭埃因霍溫的 Holst 中心可能是能量采集技術(shù)的領(lǐng)跑者。研究巨頭 IMEC（比利時(shí) Leuven 的院校間微電子中心）與Dutch研究所 TNO（荷蘭機(jī)構(gòu)）在 2005 年共同建立了 Holst 中心。在 Holst，無(wú)線自主換能器解決方案是一個(gè)重要的計(jì)劃，它就包括了能量采集。Holst 中心正在研究熱、振動(dòng)和 RF 方案。