远程FSK收发机的动力挑战

频率移动键(FSK)由于对噪音的抗御力和简单执行,仍然是远程和工业环境中无线通信的工马调制方案。 但根本障碍不是无线电连接本身 — — 它是可靠的、持续的电力供应。电池寿命有限,需要昂贵的维修旅行,并造成环境废物。能源收集、环境能源的捕获和转换为可用的电力,提供了可持续的前进道路。 本条探讨了关键技术、实际考虑和新兴创新,使FSK收发报机能够在最孤立的环境中无限期运行。

用于无线节点的能源收获核心原则

发自FSK的收发机的能量收集系统通常包括一个转电器(太阳能电池、派佐电元件、热电模块或RF Rectena ) 、 电源管理电路(包括最大电点跟踪和电压调节)以及一个能量存储缓冲器(电容器或充电电池 ) 。 平均收发电量必须超过收发机的平均消耗量,同时计入传输和接收的值周期。 对于典型的低功率的FSK模块,在亚GHz波段运行的闲置电流可以低至1-10 μA,使其甚至能够从相对薄弱的环境源中进行收发。

太阳能收获

光伏电池板是室外部署最成熟和最强的收割技术。一个5厘米×5厘米的多晶体电池可以在全日照下产生50-100毫瓦的光电,远远超过大多数FSK收发机的需要。关键考虑因素包括:面板定向、部分遮蔽、超电容器或电池需要骑行过夜和云层。最大电点跟踪算法,无论是模拟还是数字的,在不同的辐射下优化能量提取。对于室内或阴影环境中,形态硅或染色敏化的太阳能电池可以在低光下运行,但输出量较低。。Solar-power遥感网络 已经显示多年来使用FSK链接的无人看管操作。

振动能源收获

在许多偏远环境中,机械振动十分丰富,从塔楼的风波到工业设施中的机械都使用三种主要转导机制:

  • Piezoelective conferers – 带有陶瓷或聚合物派佐电层的坎蒂利弗束在机械紧张时产生电压. Resonant频率一般在数十至数百赫兹之间,输出功率因振动振幅和频率匹配而异,微瓦到毫瓦不等.
  • 电磁收割机 — — 线圈内移动的磁铁诱导电流。 这些磁铁很坚固但较大,适合低频振动(1-50赫兹 ) 。
  • Triboelective 纳米发电机(TENG) — — 基于接触电气化和静电诱导,TENG可以从极低频运动(人类运动,慢风)中收割。 近期的进步将输出推向了几毫瓦,尽管其高阻力需要小心的电源调节。

混合式方法结合了派佐电能和电磁元件来拓宽有效的频带宽. 对于定期传输(例如每几分钟一次的传感器数据)的FSK收发机,可以存储并用于传输周期的短暂的被收获振动能量. 关于振动驱动的无线传感器节点的研究[显示优化的收发机-传输器共设计即使从手臂振动也能实现自我维持的操作.

热能收获

热电发电机(TEGs)利用Seebeck效应将整个装置的温度差(QQT)转化为电能。 在有热源的环境中,如工业管道、地热通风口,甚至土壤与空气的对比,TEGs可以提供稳定、可预测的电能。 对于一个小的TEG模块(如30毫米×30毫米),如果T为10-20°C,输出可达到10-50毫瓦。 低电压(典型的<1 V) requires a boost converter to reach the 3–5 V needed by common FSK transceivers. Power management ICs like the LTC3108 are designed specifically for TEG and thermopile sources. Thermal harvesting is especially valuable for 恒电 监测可能无法提供太阳(地下,金属闭塞内)的电压。

无线电频率(RF) 能源收获

在已经存在无线电信号(广播塔、无线、蜂窝)的环境中,环境RF能量可以使用修正天线(rectenna)进行扫射。虽然电密度极低,通常为0.1-10 μW/cm2,但它们仍然足以供有任务周期操作的超低功率FSK接收器使用。如果将天线阻断到修正二极管(通常是Schottky二极管),那么效率至关重要。多波段重排可以同时从几个频带(例如900 MHz GSM和2.4 GHz Wi-Fi)中收割。 专用RF动力源,如附近的发射机,也可以用于专用无线电传输。然而,对于没有RF基础设施的真正偏远的环境,这种方法不如其他收割方式实用。

电力管理和储存

不论收获来源如何,环境能源的波动性和间歇性要求智能电力管理。

  • 反应器/AC-DC转换器[ –用于产生AC或不规则信号的振动源,热源,或RF源.
  • DC-DC增压/buck转换器 –在跟踪最大功率点的同时,对收发机的供电电压(如3.3V)进行调节.
  • 能源缓冲器 — — 陶瓷电容器、超电容器或薄膜电池存储在传输过程中的峰值负荷能量(这可能会消耗10–100 mA,耗资10–50 ms ) 。 超电容器在周期长时更受欢迎,而利离子电池则提供较长的黑暗或平静时期的更高能量密度。
  • 负载循环 – 只有在能量已经积累足够时,收发器微控制器才能被编程醒悟。 一个简单的参照器会监视缓冲电压,并且只允许无线电在阈值以上。

BQ25570(德州仪器)等高级电源管理IC集成增压充电,MPPT,以及输出调节于一个小包,简化了自動FSK节点的设计.

混合和多来源系统

没有一个单一的采伐来源是普遍可靠的,将两个或两个以上互补来源结合起来,将大大提高强性。

  • Solar + 振动 – Solar提供白天功率;风引起的振动(或小型涡轮机)提供夜间/cloudy功率.
  • 热+RF –在工业环境下,一个暖气管(热)与环境无线-Fi或蜂窝信号(RF)结合,可以覆盖不同的部署点.
  • Solar + TEG – 混合面板,将光电池在顶部和背面的TEG模块融合在一起,既能捕捉阳光,又能捕捉废热.

多源收割机需要一台OR-ing电路来结合输出,不回流,通常使用理想的二极管或专用的功率多极器. 能源管理控制器必须根据可用性和效率在来源之间进行仲裁. 几个商业模块,如Advantic EHE004,为多个收割转录器提供可配置的输入.

个案研究和现实世界部署

几个研究团体和公司成功地演示了该领域的能源收割功率FSK收发机:

  • 农业土壤监测 — 一个偏远葡萄园的FSK无线电台网络利用太阳能采集(2W多晶格)和一个10 F超电容器每15分钟传送土壤湿度数据,该系统运行两年多,没有更换电池。
  • 桥梁结构健康监测 — 连接在桥梁电缆上的Piezo电机(交通和风力的振动)为FSK菌株传感器供电。平均输出为1.2毫瓦,足以进行小时数据暴动。
  • Wildlife tracks — — 使用动物体与环境空气(QQT 5–10°C)的温度差的轻量级热收割机充电了Li-Po电池,为FSK基座GPS信标供电。 对纳米比亚牛的实地测试显示持续运行了6个月。

这些例子突出表明,如果系统一级设计仔细,使收割机的规模、储存能力以及收发机任务周期与特定环境相匹配,自我维持作业是可以实现的。

挑战与未来方向

尽管取得了进展,但能源收获的FSK收发机真正无处不在之前,仍然存在若干障碍:

  • 低电源和变电输出 — — 许多收割源只提供微瓦,要求超低电源无线电架构。 Sub-1 μA睡眠电流现在很常见,但发射机暴发仍能快速排出存储器。
  • 超级电容器的能量密度低( <10 Wh/kg),自放力高(每月高达20% ) 。 电池提供了更多的存储,但周期寿命有限,对极端温度的敏感度也有限。
  • 发自伦敦 — — 远古以来,丰收者必须承受尘埃、水分、温度波动和物理影响。 封装和包装对于长期部署来说仍然是非三角性的。
  • 标准化和互操作性[ – 大多数收割模块和FSK收发机都是专有的. 开放的电源接口标准会加快集成.

未来的研究侧重于适应性电力管理,利用机器学习预测能源的可得性并相应调整工作周期。 多频FSK收发机[能够动态改变载体频率,以匹配最有效的RF收割带。此外,印刷和灵活的电子[]可以使低成本、装配型收割机能够包绕机械或结构,从以前无法进入的表面获取能量。

结论

能源收集提供了在偏远环境中为FSK收发机供电的可行途径,使它们摆脱电池和电线的限制。 通过利用太阳能、振动、热能和RF源 — — 往往是组合式的 — — 系统设计师可以建立多年自主运作的无线通信节点。 电力管理、储存和材料的持续进步将进一步降低成本,扩大对最具挑战性的生态系统的部署。 对于任何建设遥感网络、工业IOT或环境监测系统的人来说,投资于FSK通信的能源收集技术不仅仅是一个选择 — — 这一点已经成为一种必要。