使用RF能量为远程传感器供电

捕获能量

能量采集技术随着多年来的迅猛发展，已能借助多种技术，将许多日常能源（如光、风、温度、振动、无线电波，甚至PH）巧妙地转化为可用能量。而今摆在人们面前的挑战是如何转换经由这些技术产生的微小能量并使其发挥出实用功能，如可靠地为环境传感器供电。

解决方案的关键在于采集来源和采集元件的选择，以及对功率预算的精密分析。相对于一般采集技术，将RF能量作为能量源的优势是，可以从周围环境中获取能量，或使用专用发射机进行控制。使用RF采集能量的设备不受场地限制，几乎可工作在任何环境下。

各种能量采集方法的功率密度

RF作为能量源

RF能量可以从多种来源采集，如广播电视台和无线电台、移动电话和基站，以及非授权频段（包括915 MHz、868 MHz或2.4 GHz）中的发射机，这使得RF采集在全世界范围内都具有商业可行性。RF较其他能量源具有许多优势。它不受时间限制，不需要暴露于高温或有风的环境，可以在传输源的范围内自由移动。它完全可控，这意味着能量可根据计划或需求连续传输。可以利用可充电电池或超级电容存储转换的RF能量，供用电高峰期使用。

例如，Powercast的RF能量采集接收机可将接收到的RF信号转换成直流电、调节输出功率，并直接对次级能量存储单元供电或充电。这些接收机还可以恢复随功率信号一起广播的低速率数据。

低功率元件选择

方便可靠的能量源只是解决方案的一部分。另一部分是适当的系统设计，旨在最大限度地利用所获得的微小能量。有两种方式可应对此限制。其一是使用超低功耗元件，其二是实现功率平衡。

幸运的是，低功耗电子元件正获得普遍的推广应用。这源于消费者对便携式产品的需求，从而掀起新一轮的可完美支持RF采集的低功耗单片机、模拟元件、射频技术以及通信协议的发展浪潮。单片机已发展至超低功耗级别。以Microchip采用超低功耗（XLP）技术的PIC24F器件为例，其休眠电流仅为20 nA，而执行代码时的电流可低至8 μA。

要组成一套完整的环境传感器，还需要模拟元件和射频技术。射频技术对功率预算有很大影响。这与两个因素有关，即使用的协议和发射/接收（Tx/Rx）电流。最新的射频技术已着手解决Tx/Rx电流问题，目前可实现低至3mA的接收电流。这必然有助于降低功耗，但产生影响的主导因素通常是无线通信协议。

功率平衡

当使用通过能量采集产生的微小能量时，冗长的执行时间和臃肿的无线协议将蚕食功耗预算。控制协议执行时间的关键是选择可根据需求进行功能扩展的协议。去掉不必要的开销和信号交换可显著降低功耗。目前有多家公司可提供支持最低限度实现的专有协议，例如Microchip的MiWi协议栈。射频传输时间已降低至5 ms，这可以大幅降低功耗。

通过使用以下两种功耗管理技术还可进一步改善功耗：基于充电的执行和充电状态监视。

如采用基于充电执行的技术，可完全去掉传感器系统的电源。仅当RF采集器采集到足够的能量时，传感器才会启用。这项技术的主要好处是器件在补充能量库时的功耗为零。传感器的执行频率取决于能量库的充电速率，而充电速率受RF能量源的距离、接收天线和障碍物（如墙体）的影响。如果传感器的安装位置适当，其运行频率符合整体系统需求，则这种方式可以良好运作。RF采集器还可以使用接收的信号强度（RSSI）作为控制数据传输速率的机制，以避免不必要的数据包涌入网络。图2显示了基于充电的系统的示例。

Figure 2: Packet frequency vs. Distance from RF source.
如果RF采集器为电池充电，可使用单片机监视充电周期的长度并估算充电状态。通过估算可用电量，单片机可根据传感器执行的操作计算运行时间。这通过记录传感器工作时各部分消耗的电流来实现。例如，当测量传感器输出时，传感器节点可能消耗100μA，而对测量数据进行射频传输时消耗20 mA。单片机可借助此信息对每次完成这些功能之一时所消耗的电量进行估算。通过将电量和耗能进行比较，便可得出充电状态。

此方法的优点是能够根据充电状态逐渐降低传感器的传输频率。系统甚至可以请求帮助，通过向RF能量源发送消息来请求更多功率。

Figure 3: Advantages of RF Energy Harvesting.

实际能量采集已见成效

随着当今市场上不断涌现为新产品设计提供平台的成熟技术，RF采集已成为各种应用的可行选项。通过仔细选择元件和功率平衡，此技术可以替代电池为大批传感器供电。RF采集具有可控制能量源以及能工作在任何环境下等诸多优势，这不仅使RF采集非常实用，还可能推动RF采集成为主流。

无论是鉴于环境法规、社会责任政策，还是单单出于经济考虑，能量采集始终是被关注的焦点。如果想避免太阳能、风能和热能的不确定变数，只有一个成熟可靠的选择，那就是RF采集。