捕獲能量

能量采集技術隨著多年來的迅猛發展，已能借助多種技術，將許多日常能源（如光、風、溫度、振動、無線電波，甚至PH）巧妙地轉化為可用能量。而今擺在人們面前的挑戰是如何轉換經由這些技術產生的微小能量并使其發揮出實用功能，如可靠地為環境傳感器供電。

解決方案的關鍵在于采集來源和采集元件的選擇，以及對功率預算的精密分析。相對于一般采集技術，將RF能量作為能量源的優勢是，可以從周圍環境中獲取能量，或使用專用發射機進行控制。使用RF采集能量的設備不受場地限制，幾乎可工作在任何環境下。

各種能量采集方法的功率密度

RF作為能量源

RF能量可以從多種來源采集，如廣播電視臺和無線電臺、移動電話和基站，以及非授權頻段（包括915 MHz、868 MHz或2.4 GHz）中的發射機，這使得RF采集在全世界范圍內都具有商業可行性。RF較其他能量源具有許多優勢。它不受時間限制，不需要暴露于高溫或有風的環境，可以在傳輸源的范圍內自由移動。它完全可控，這意味著能量可根據計劃或需求連續傳輸?？梢岳每沙潆婋姵鼗虺夒娙荽鎯D換的RF能量，供用電高峰期使用。

例如，Powercast的RF能量采集接收機可將接收到的RF信號轉換成直流電、調節輸出功率，并直接對次級能量存儲單元供電或充電。這些接收機還可以恢復隨功率信號一起廣播的低速率數據。

低功率元件選擇

方便可靠的能量源只是解決方案的一部分。另一部分是適當的系統設計，旨在最大限度地利用所獲得的微小能量。有兩種方式可應對此限制。其一是使用超低功耗元件，其二是實現功率平衡。

幸運的是，低功耗電子元件正獲得普遍的推廣應用。這源于消費者對便攜式產品的需求，從而掀起新一輪的可完美支持RF采集的低功耗單片機、模擬元件、射頻技術以及通信協議的發展浪潮。單片機已發展至超低功耗級別。以Microchip采用超低功耗（XLP）技術的PIC24F器件為例，其休眠電流僅為20 nA，而執行代碼時的電流可低至8 μA。

要組成一套完整的環境傳感器，還需要模擬元件和射頻技術。射頻技術對功率預算有很大影響。這與兩個因素有關，即使用的協議和發射/接收（Tx/Rx）電流。最新的射頻技術已著手解決Tx/Rx電流問題，目前可實現低至3mA的接收電流。這必然有助于降低功耗，但產生影響的主導因素通常是無線通信協議。

功率平衡

當使用通過能量采集產生的微小能量時，冗長的執行時間和臃腫的無線協議將蠶食功耗預算。控制協議執行時間的關鍵是選擇可根據需求進行功能擴展的協議。去掉不必要的開銷和信號交換可顯著降低功耗。目前有多家公司可提供支持最低限度實現的專有協議，例如Microchip的MiWi協議棧。射頻傳輸時間已降低至5 ms，這可以大幅降低功耗。

通過使用以下兩種功耗管理技術還可進一步改善功耗：基于充電的執行和充電狀態監視。

如采用基于充電執行的技術，可完全去掉傳感器系統的電源。僅當RF采集器采集到足夠的能量時，傳感器才會啟用。這項技術的主要好處是器件在補充能量庫時的功耗為零。傳感器的執行頻率取決于能量庫的充電速率，而充電速率受RF能量源的距離、接收天線和障礙物（如墻體）的影響。如果傳感器的安裝位置適當，其運行頻率符合整體系統需求，則這種方式可以良好運作。RF采集器還可以使用接收的信號強度（RSSI）作為控制數據傳輸速率的機制，以避免不必要的數據包涌入網絡。圖2顯示了基于充電的系統的示例。

Figure 2: Packet frequency vs. Distance from RF source.
如果RF采集器為電池充電，可使用單片機監視充電周期的長度并估算充電狀態。通過估算可用電量，單片機可根據傳感器執行的操作計算運行時間。這通過記錄傳感器工作時各部分消耗的電流來實現。例如，當測量傳感器輸出時，傳感器節點可能消耗100μA，而對測量數據進行射頻傳輸時消耗20 mA。單片機可借助此信息對每次完成這些功能之一時所消耗的電量進行估算。通過將電量和耗能進行比較，便可得出充電狀態。

此方法的優點是能夠根據充電狀態逐漸降低傳感器的傳輸頻率。系統甚至可以請求幫助，通過向RF能量源發送消息來請求更多功率。

Figure 3: Advantages of RF Energy Harvesting.

實際能量采集已見成效

隨著當今市場上不斷涌現為新產品設計提供平臺的成熟技術，RF采集已成為各種應用的可行選項。通過仔細選擇元件和功率平衡，此技術可以替代電池為大批傳感器供電。RF采集具有可控制能量源以及能工作在任何環境下等諸多優勢，這不僅使RF采集非常實用，還可能推動RF采集成為主流。

無論是鑒于環境法規、社會責任政策，還是單單出于經濟考慮，能量采集始終是被關注的焦點。如果想避免太陽能、風能和熱能的不確定變數，只有一個成熟可靠的選擇，那就是RF采集。