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在當(dāng)今快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代，微型嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用越來越廣泛，從智能家居到工業(yè)自動(dòng)化，再到智能城市和環(huán)境監(jiān)測(cè)。然而，這些設(shè)備通常需要長(zhǎng)期自主運(yùn)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(shù)和有效的能量管理策略成為了研究熱點(diǎn)，旨在延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命并提高其自主性。

能量收集嵌入式系統(tǒng)是一種能夠從環(huán)境中手機(jī)能量并利用其驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)。而在我們生活中，可以進(jìn)行動(dòng)能（風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等）、電磁能（光伏、電磁波 (antenna/rectanna) 等）、熱能（太陽(yáng)熱能、地?zé)�、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(zhì)能等）。對(duì)于嵌入式中，能量收集技術(shù)正在迅速成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的可行電源選擇，使無線傳感器能夠用于以前傳統(tǒng)電池供電設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，能量收集電源使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松構(gòu)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(wěn)定性和更好地進(jìn)行能量管理，有效并高效地分配能量資源和調(diào)度能量資源，我們需要根據(jù)能量收集情況和系統(tǒng)負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和進(jìn)行能量分配。

一、引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）5的普及，對(duì)微型嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)的需求日益增長(zhǎng)。為了滿足這一需求，科學(xué)家們致力于開發(fā)更加高效的能量采集技術(shù)以及先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)。本文將探討近年來在這一領(lǐng)域的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展，并展望未來的發(fā)展方向。

二、能量采集技術(shù)的最新進(jìn)展

太陽(yáng)能采集

太陽(yáng)能是目前最成熟、應(yīng)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(jié)點(diǎn)可以持續(xù)地從陽(yáng)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(yáng)能。

熱電轉(zhuǎn)換

利用塞貝克效應(yīng)，熱電發(fā)電機(jī)可以將溫度差轉(zhuǎn)化為電能。這對(duì)于那些部署在存在明顯溫差環(huán)境中的傳感器來說非常有用，如建筑外墻或工業(yè)設(shè)施內(nèi)部。

振動(dòng)能量收集

對(duì)于安裝在移動(dòng)物體上的傳感器，如汽車輪胎內(nèi)的壓力傳感器，振動(dòng)能量收集器可以通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)來產(chǎn)生電能。德州儀器的研究表明，這種技術(shù)非常適合遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)年的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

射頻能量收集

隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步，利用射頻信號(hào)進(jìn)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(hào)源的地方。

三、能量管理策略的新突破

高效率的能量轉(zhuǎn)換器

提高能量轉(zhuǎn)換器的效率對(duì)于確保能量采集系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。比如聞泰科技推出的能量采集PMIC產(chǎn)品，它不僅提高了能量采集的應(yīng)用可行性，也為行業(yè)注入了新的活力13。

動(dòng)態(tài)功率調(diào)整

根據(jù)實(shí)際工作負(fù)載調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，以減少不必要的能耗。例如，在數(shù)據(jù)傳輸不頻繁時(shí)降低處理器頻率或關(guān)閉某些功能模塊，以此來節(jié)省電力資源。

超級(jí)電容器與鋰電池的結(jié)合使用

超級(jí)電容器具有快速充電和放電的特點(diǎn)，而鋰電池則擁有更高的能量密度。兩者結(jié)合使用可以在保證長(zhǎng)時(shí)間供電的同時(shí)提供瞬時(shí)大電流輸出的能力。

四、機(jī)械智能能量采集的前景

近期，上海交通大學(xué)張文明教授團(tuán)隊(duì)提出了“機(jī)械智能能量采集”的概念，這是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法論，旨在解決能量采集系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境與工況的適應(yīng)性難題。通過機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，提升系統(tǒng)的魯棒性和可靠性8。預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)，該領(lǐng)域?qū)��?huì)獲得更多的關(guān)注，并推動(dòng)能量采集技術(shù)向商業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)。

五、結(jié)論

微型嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)的能量采集和管理技術(shù)創(chuàng)新正在深刻改變我們的生活方式和技術(shù)應(yīng)用方式。隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我們有理由相信，未來的傳感器節(jié)點(diǎn)將變得更加智能化、自給自足，從而進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。無論是科研人員還是工程師，都應(yīng)密切關(guān)注這一領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，以便抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)。