來(lái)自工業(yè)設(shè)備的診斷數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵資源。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀況使操作員能夠識(shí)別出有問題的機(jī)器。這些數(shù)據(jù)甚至可以預(yù)測(cè)哪些系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并將其替換為日常維護(hù)的一部分，而不是災(zāi)難性和代價(jià)高昂的故障。

借助物聯(lián)網(wǎng)，可以在云中分析所有這些數(shù)據(jù)，提供警報(bào)和儀表板，以便在世界任何地方進(jìn)行監(jiān)控。但是，這個(gè)模型存在一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是實(shí)際獲取數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)代系統(tǒng)可能具有內(nèi)置診斷功能，但這些系統(tǒng)可能無(wú)法連接到云端，而舊設(shè)備可能在監(jiān)控電子設(shè)備方面受到極大限制。這可能是由于缺乏傳感器和通信鏈路以及可用功率。

能量收集為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和診斷提供了關(guān)鍵能力。能夠從環(huán)境中的能量為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電允許這些節(jié)點(diǎn)在操作員可以從數(shù)據(jù)獲得最佳值的點(diǎn)處附接到設(shè)備。

可以使用各種能量收集源來(lái)獲取這些關(guān)鍵的診斷數(shù)據(jù)。一種特別優(yōu)雅的方法是使用工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)來(lái)為無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電并充當(dāng)傳感器?？梢詫弘妭鞲衅髡{(diào)諧到來(lái)自設(shè)備的振動(dòng)的共振頻率，并且這可以用于為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。針對(duì)能量收集進(jìn)行優(yōu)化的復(fù)雜電源管理器（如凌力爾特公司的LTC3588）可以捕獲和修改壓電晶體的電流，為無(wú)線收發(fā)器供電。 SparkFun Electronics的評(píng)估板（如圖1所示）提供了連接到電源的LTC3588鏈路。四個(gè)輸出電壓，1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6 V，可通過器件選擇引腳，連續(xù)輸出電流高達(dá)100 mA;然而，輸出電容器的大小可以設(shè)計(jì)成服務(wù)于更高的輸出電流突發(fā)。設(shè)置為20 V的輸入保護(hù)分流器可在給定量的輸入電容下實(shí)現(xiàn)更大的能量存儲(chǔ)。

圖1：LTC3588電源管理評(píng)估板來(lái)自SparkFun Electronics

然而，使用振動(dòng)能量為診斷節(jié)點(diǎn)供電還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通過監(jiān)測(cè)晶體的電流，可以檢測(cè)到設(shè)備振動(dòng)的任何變化，從而檢測(cè)機(jī)器的健康狀況。這是一種復(fù)雜的轉(zhuǎn)換算法，通常需要比能量收集系統(tǒng)更多的處理能力;但是通過物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線鏈接，可以將數(shù)據(jù)上傳到云中進(jìn)行分析，跟蹤振動(dòng)曲線的變化。這些卡爾曼算法可以應(yīng)用于云中的數(shù)據(jù)以進(jìn)行預(yù)防性分析，可以監(jiān)控設(shè)備的健康狀況并預(yù)測(cè)故障。這使得設(shè)備可以作為日常維護(hù)的一部分進(jìn)行更換，并避免潛在的昂貴停機(jī)。

壓電能源不是獲取基本診斷數(shù)據(jù)的唯一選擇。太陽(yáng)能電池是向無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的常用方式，而不必?fù)?dān)心電源或網(wǎng)絡(luò)連接。今天的電池具有從工業(yè)應(yīng)用中的室內(nèi)照明提供電力的效率。這些需要電源管理，可以處理從微瓦（μW）到毫瓦（mW）的可變?cè)础?/p>

S6AE101A是一種用于Cypress Semiconductor能量收集的電源管理IC（PMIC），可用于太陽(yáng)能電池串聯(lián)連接，輸出功率控制電路，輸出電容器存儲(chǔ)電路和原電池的功率開關(guān)電路。它使用250 nA，啟動(dòng)功率僅為1.2μW。結(jié)果，在工業(yè)場(chǎng)所中在約100lx的低亮度環(huán)境下，甚至可以從緊湊型太陽(yáng)能電池獲得少量發(fā)電。

電路板使用內(nèi)置開關(guān)控制將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到輸出電容器，并在電容器電壓處于預(yù)設(shè)的最大和最小范圍內(nèi)時(shí)為電源開關(guān)電路供電，以便為負(fù)載供電。如果太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力不足，則能夠以與連接的一次電池中的太陽(yáng)能電池相同的方式供應(yīng)能量以用于輔助電力。此外，太陽(yáng)能電池的輸入引腳內(nèi)置過壓保護(hù)（OVP）功能，該IC使用太陽(yáng)能電池的開路電壓來(lái)防止過壓狀態(tài)。

類似地，熱能發(fā)生器（TEG）設(shè)備可以通過溫差提供功率，這種技術(shù)稱為塞貝克效應(yīng)。 TEG發(fā)生器使用硅技術(shù)減小尺寸。 Silicium的最新發(fā)電機(jī)厚度僅為1 mm，從幾度的溫差可以產(chǎn)生100μW至10 mW的功率。這允許帶有無(wú)線收發(fā)器的小型傳感器板由溫度差驅(qū)動(dòng)，以提供來(lái)自工業(yè)設(shè)備的診斷數(shù)據(jù)。

德州儀器（TI）的bq25570是一款電池管理器件，可處理來(lái)自壓電，太陽(yáng)能或TEG能量收集設(shè)備的低至100 mV的可變電壓。 bq25570調(diào)節(jié)其輸入電壓，使其在將存儲(chǔ)元件充電至設(shè)定電壓點(diǎn)時(shí)不會(huì)折疊其輸入源，并具有集成降壓調(diào)節(jié)器，可提供充電器輸出的穩(wěn)壓輸出。電源良好輸出指示充電器的存儲(chǔ)元件何時(shí)達(dá)到用戶設(shè)定電壓電平。

圖2：德州儀器（TI）的bq25570評(píng)估板

這在評(píng)估板上展示（圖2）要實(shí)現(xiàn)的不同來(lái)源，以查看哪個(gè)源最適合應(yīng)用程序。通過最小的跳線更改，評(píng)估模塊還可以配置為超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)低阻抗源的輸出電壓，同時(shí)提供降壓穩(wěn)壓器的第二輸出電壓，以驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備，如無(wú)線收發(fā)器。

可編程輸入電壓調(diào)節(jié)通過跳線或電阻設(shè)置，充電器輸出電壓最大值通過電阻設(shè)置為4.2 V，充電器最大輸出電壓設(shè)置為1.8 V.有多個(gè)跳線，連接器和測(cè)試點(diǎn)可用，以便電力子系統(tǒng)可以與能量收集源匹配。只要VBAT上的存儲(chǔ)元件電壓（如圖3所示）高于內(nèi)部編程的2.0 V欠壓，4.2 V輸出就會(huì)施加到存儲(chǔ)元件。集成降壓轉(zhuǎn)換器在VOUT時(shí)提供高達(dá)1.8 V和100 mA的電壓。當(dāng)VSTOR上升至3.0 V時(shí)，VBAT_OK指示器切換為高電平，當(dāng)VSTOR下降至2.8 V時(shí)，VBAT_OK指示器切換為低電平。

圖3：示意圖bq25570評(píng)估板顯示來(lái)自高阻抗能量收集源的不同功率輸出的電阻器設(shè)置。

使用此類設(shè)備設(shè)計(jì)高阻抗源（如太陽(yáng)能電池）與AC/DC轉(zhuǎn)換器或大型電池系統(tǒng)有很大不同。這要求將任何時(shí)間單位的系統(tǒng)負(fù)載與每個(gè)相同時(shí)間單位的預(yù)期負(fù)載進(jìn)行比較。通常沒有足夠的實(shí)時(shí)時(shí)間來(lái)獲取電力以在完全運(yùn)行時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)（例如，在太陽(yáng)能電池板的夜晚），因此收集并存儲(chǔ)電力。

這意味著能量收集源必須與諸如可充電鋰電池或電容器的存儲(chǔ)元件匹配，以便在無(wú)法收集能量時(shí)它可用于為無(wú)線收發(fā)器供電。然后，收發(fā)器處理來(lái)自無(wú)線節(jié)點(diǎn)中的傳感器的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)溫度，振動(dòng)或濕度。電源狀態(tài)（例如LTC3588，S6AE101A或bq25570上的引腳的過壓或欠壓）也可以連接到收發(fā)器，以突出顯示電源的任何問題。這給出了存儲(chǔ)元件健康狀況的指示，并允許傳感器節(jié)點(diǎn)在失敗之前作為日常維護(hù)的一部分進(jìn)行更換。

結(jié)論

能量收集源可以為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源，以監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)中的工業(yè)設(shè)備。這使節(jié)點(diǎn)從電源線上釋放，使其可以放置在正確的位置，以提供監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀況所需的診斷數(shù)據(jù)。

有一系列技術(shù)可用于從工業(yè)環(huán)境中獲取能量，從機(jī)器的振動(dòng)和工廠燈光的能量到溫差的熱能。將這些源與電源管理器件匹配，該器件針對(duì)產(chǎn)生的非常小的可變電流進(jìn)行了優(yōu)化，允許存儲(chǔ)元件保持電源。然后，這可以用于為無(wú)線收發(fā)器供電以將診斷傳感器數(shù)據(jù)傳遞到云，其中卡爾曼算法可以用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的健康狀況。這種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施可以通過允許日常維護(hù)在失敗之前更換設(shè)備（包括無(wú)線節(jié)點(diǎn)）來(lái)節(jié)省成本。