在当今环境友好的心态下，似乎一切都在走向绿色。能量收集的概念已经存在十多年了。然而，在现实世界环境中实施环境能源驱动系统是繁琐、复杂且成本高昂的。

然而，成功使用能量收集的市场例子包括交通基础设施、无线医疗设备、轮胎压力传感和楼宇自动化。具体来说，在楼宇自动化系统的情况下，诸如占用传感器、恒温器甚至电灯开关之类的东西已经取消了通常与其安装相关的电源或控制线路，而是使用了本地化的能量收集系统。

建造包括商业和住宅结构在内的节能智能建筑是确保节能结构不会大量使用化石燃料的传统能源的先决条件。

在商业建筑的情况下，使它们变得智能对于其中的组织至关重要，因为拥有节能和流线型的建筑有助于降低能源成本，同时还为其中的工人提供生产环境。然而，达到这一点并非没有其自身的一系列缺点。例如，这些建筑物将需要一个能够提供必要反馈的基础设施，以实现加热和冷却系统的高效运行、照明控制和高效的空间利用。这很可能需要使用物联网 (IoT) 作为监测和控制环境的方法，并将增加他们对替代电源的依赖，以有效管理和控制它们。

智能建筑的趋势

智能建筑将不断改变人们日常活动的方式。此外，除了节约能源外，智能建筑还有助于节省资金。一些物联网智能建筑趋势已经形成，以实现这种转变。

一个很好的例子是预测性维护将如何利用传感器 (IoT) 和其他硬件设备来获取有关商业建筑及其中所有设备状态的报告。这种反馈将能够在需要时及时有效地进行任何必要的维护。通过使用预测性维护方法，可以克服通常在预防性维护计划中出现的不可预见的问题。

图 1. 典型能量收集系统的主要模块

此外，空气质量可能会对工人的生产力产生不利影响。该领域的行业研究表明，与更传统的建筑物相比，当工人在室内环境质量良好的建筑物内工作时，他们的工作效率提高了 10%。同样，物联网设备可用于使用作为网状网络一部分的各种传感器来测量和检查空气质量以及空气中的二氧化碳水平。这些设备连接到建筑基础设施的所有区域，从而能够保持环境和其中的每个人的健康和生产力。

预计未来的另一个新趋势是在智能建筑中使用支持物联网的应用程序。一个很好的例子是使用热成像允许设施管理人员检查他们的设备是否超出其工作温度范围。这可以很容易地检测到，从而允许在设备破坏其正常运行模式之前进行维护。例如，物联网将改变商业设施管理人员跟踪信息、测量和收集数据的方式；这包括以前难以到达的无法进入的地区。在建筑物的各个部分安装传感器将跟踪他们过去从未访问过的所有信息。通过使用物联网互连系统，设施管理人员现在可以使用这些系统访问所有相关信息。

此外，物联网将使商业业主拥有能源充足的建筑物成为可能。这会影响建筑物的设计，并使它们具有生态友好性和资源效率。此外，这些智能楼宇管理系统可以从任何地方远程管理，从而可以用传感器替换过时的重型建筑设备，传感器可以使用振动和温度波动等指标进行控制。显然，这节省了大量能源和金钱，同时还降低了维护成本。

最后，物联网对建筑的最重要影响之一是能源效率。传感器网络有助于提供信息，帮助管理人员更有效地控制其资产，同时减少环境中的有害废物。例子包括：

1）使用传感器进行温度控制。

2）使用执行器进行 HVAC 控制。

3）复杂的应用程序，例如为建筑物提供完整的能源自动化。

4）考虑天气预报以节省实时能源成本。

无线传感器节点

能量收集系统的一个关键应用是楼宇自动化系统中的无线电传感器。在美国，建筑是每年能源生产的第一大用户，紧随其后的是交通运输和工业部门。

利用能量收集技术的无线网络可以将建筑物中的任意数量的传感器连接在一起，通过在建筑物或其中的房间无人居住时调节温度或关闭非必要区域的灯来降低 HVAC 和电力成本。此外，能量收集电子设备的成本通常低于运行电源线或更换电池所需的日常维护，因此采用能量收集技术显然可以获得经济收益。

然而，如果每个节点都需要自己的外部电源，无线传感器网络的许多优势就会消失。尽管持续的电源管理发展使电子电路能够在给定电源下运行更长时间，但这有其局限性，而电力能量收集提供了一种补充方法。因此，能量收集是一种通过将本地环境能量转换为可用电能来为无线传感器节点供电的方法。

环境能源包括光、热差、机械振动、传输的射频信号或任何可以通过换能器产生电荷的来源。这些能源就在我们身边，它们可以通过使用合适的换能器转化为电能，例如用于温差的热电发电机 (TEG)、用于振动的压电元件、用于阳光（或室内照明）的光伏电池、甚至来自水分的电流能。这些所谓的“免费”能源可用于自动为电子元件和系统供电。

完全无线的传感器节点现在能够在微瓦平均功率水平下运行，从非传统来源为它们供电是可行的。这导致了能量收集，它为电池使用不方便、不切实际、昂贵或危险的系统中的电池提供充电、补充或更换的能量。它还可以消除电线来承载电力或传输数据的需要。

典型的能量收集配置或无线传感器节点 (WSN) 由四个模块组成，如图 1 所示。它们是：

1）环境能源。

2）一个换能器元件和一个电源转换电路，为下游电子设备供电。

3）将节点连接到物理世界的传感组件和由微处理器或微控制器组成的计算组件，用于处理测量数据并将其存储在内存中。

4）一种通信组件，由短距离无线电组成，用于与相邻节点和外部世界进行无线通信。

环境能源的示例包括连接到发热源（例如 HVAC 管道）的 TEG（或热电堆），或连接到振动机械源（例如窗玻璃）的压电换能器。在热源的情况下，紧凑的热电装置可以将微小的温差转化为电能。在存在机械振动或应变的情况下，可以使用压电装置将这些转换为电能。

一旦产生电能，就可以通过能量收集电路将其转换并修改为合适的形式来为下游电子设备供电。因此，微处理器可以唤醒传感器以获取读数或测量值，然后可以由模数转换器 (ADC) 进行操作，以便通过超低功耗无线收发器进行传输。

图 2. LTC3109 典型应用原理图

能量收集源提供的能量取决于源运行的时间。因此，比较清除源的主要指标是功率密度，而不是能量密度。能量收集受到低、可变和不可预测的可用功率水平的影响，因此经常使用连接到收集器和辅助电源的混合结构。收割机由于其能量供应无限，动力不足，是系统的能源。辅助蓄能器产生更高的输出功率，但储存的能量更少，在需要时供电，但在其他情况下定期从收集器接收电荷。因此，在没有环境能量可从中获取电力的情况下，必须使用辅助电源为 WSN 供电。

成功设计一个完全独立的无线传感器系统需要随时可用的节能微控制器和传感器，这些微控制器和传感器从低能耗环境中消耗最少的电能。此类能量收集器模块的现有实现如图 1 所示。它们通常由低性能分立配置组成，通常包含 30 个或更多组件。这种设计具有低转换效率和高静态电流。这些缺陷导致终端系统的性能受损。

由于高静态电流限制了能量收集源的输出可以有多低，因此它必须首先克服自身操作所需的电流水平，然后才能向输出提供任何多余的功率。这就是 ADI 的 Power by LinearTM (PbL) 产品可以将性能和简单性提升到新水平的地方。

能量收集示例

LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 转换器和电源管理器。它可以收集和管理来自极低输入电压源（例如 TEG、热电堆甚至小型太阳能电池）的剩余能量。其专有的自动极性拓扑使其能够在低至 30mV 的输入源下工作，而不管极性如何。

图 2 中的电路使用两个紧凑型升压变压器来提升 LTC3109 的输入电压源，然后为无线传感和数据采集提供完整的电源管理解决方案。它可以收集微小的温差并产生系统电源，而不是使用传统的电池电源。

每个变压器次级绕组上产生的 AC 电压使用一个外部电荷泵电容器和 LTC3109 内部的整流器进行升压和整流。该整流器电路将电流馈入 VAUX 引脚，为外部 VAUX 电容器和其他输出提供电荷。内部 2.2V LDO 稳压器可支持低功耗处理器或其他低功耗 IC。

结论

由于模拟开关模式电源设计专业知识在全球范围内供不应求，因此很难设计用于绿色建筑的有效能量收集系统。主要障碍之一是与远程无线传感相关的电源管理方面。尽管如此，像 LTC3109 这样的产品几乎可以从任何热源提取能量，从而使系统设计人员能够使用能量收集电源。这不仅减少了化石燃料的使用，而且有助于为当代和后代创造更绿色的建筑环境。