微型嵌入式傳感器節點的能量采集和管理技術創新
時間：2025-03-06 來源：華清遠見
在當今快速發展的物聯網（IoT）時代，微型嵌入式傳感器節點的應用越來越廣泛，從智能家居到工業自動化，再到智能城市和環境監測。然而，這些設備通常需要長期自主運行，并且更換電池既不方便也不總是可行。因此，能量采集技術和有效的能量管理策略成為了研究熱點，旨在延長傳感器節點的使用壽命并提高其自主性。
能量收集嵌入式系統是一種能夠從環境中手機能量并利用其驅動的嵌入式系統。而在我們生活中，可以進行動能（風、波、重力、振動等）、電磁能（光伏、電磁波 (antenna/rectanna) 等）、熱能（太陽熱能、地熱、溫度變化、燃燒等）、原子能（原子核能、放射性衰變等）或生物能（生物燃料、生物質能等）。對于嵌入式中，能量收集技術正在迅速成為嵌入式系統設計人員的可行電源選擇，使無線傳感器能夠用于以前傳統電池供電設計無法實現的應用。例如，能量收集電源使系統設計人員能夠輕松構建范圍超過100米、使用壽命超過20年的超薄無線傳感器。 而我們要解決的問題在于提高能量收集的穩定性和更好地進行能量管理，有效并高效地分配能量資源和調度能量資源，我們需要根據能量收集情況和系統負載實時監測和進行能量分配。
一、引言
隨著無線傳感器網絡（WSN）5的普及，對微型嵌入式傳感器節點的需求日益增長。為了滿足這一需求，科學家們致力于開發更加高效的能量采集技術以及先進的能量管理系統。本文將探討近年來在這一領域的幾項關鍵技術進展，并展望未來的發展方向。
二、能量采集技術的最新進展
太陽能采集
太陽能是目前最成熟、應用最廣的能量來源之一。通過集成高效的光伏材料，傳感器節點可以持續地從陽光中獲取能量。例如，凌力爾特公司提供的能量采集電源管理芯片能夠支持多種能量采集源，包括太陽能。
熱電轉換
利用塞貝克效應，熱電發電機可以將溫度差轉化為電能。這對于那些部署在存在明顯溫差環境中的傳感器來說非常有用，如建筑外墻或工業設施內部。
振動能量收集
對于安裝在移動物體上的傳感器，如汽車輪胎內的壓力傳感器，振動能量收集器可以通過機械運動產生的振動來產生電能。德州儀器的研究表明，這種技術非常適合遠程節點自動運行數年的無線傳感器網絡。
射頻能量收集
隨著無線通信技術的進步，利用射頻信號進行能量收集成為可能。這種方法特別適合于靠近無線基站或其他射頻信號源的地方。
三、能量管理策略的新突破
高效率的能量轉換器
提高能量轉換器的效率對于確保能量采集系統的有效性至關重要。比如聞泰科技推出的能量采集PMIC產品，它不僅提高了能量采集的應用可行性，也為行業注入了新的活力13。
動態功率調整
根據實際工作負載調整傳感器節點的功耗，以減少不必要的能耗。例如，在數據傳輸不頻繁時降低處理器頻率或關閉某些功能模塊，以此來節省電力資源。
超級電容器與鋰電池的結合使用
超級電容器具有快速充電和放電的特點，而鋰電池則擁有更高的能量密度。兩者結合使用可以在保證長時間供電的同時提供瞬時大電流輸出的能力。
四、機械智能能量采集的前景
近期，上海交通大學張文明教授團隊提出了“機械智能能量采集”的概念，這是一種創新的設計方法論，旨在解決能量采集系統對復雜環境與工況的適應性難題。通過機械設計簡化系統復雜性，提升系統的魯棒性和可靠性8。預計在未來十年內，該領域將會獲得更多的關注，并推動能量采集技術向商業化應用邁進。
五、結論
微型嵌入式傳感器節點的能量采集和管理技術創新正在深刻改變我們的生活方式和技術應用方式。隨著新材料、新技術的不斷涌現，我們有理由相信，未來的傳感器節點將變得更加智能化、自給自足，從而進一步推動物聯網技術的發展。無論是科研人員還是工程師，都應密切關注這一領域的最新動態，以便抓住機遇，迎接挑戰。
