能量采集的概念已經出現數十年，如何將免費能量轉化成電能來提供給不同類型的電子儀器及產品應用，是電子及半導體業界發展綠色能源應用的重要課題。近年來能源危機進一步凸顯，綠色環保概念更加深入人心，能量采集技術的應用開始迎來發展的春天。IDTechEx數據顯示，運用能量采集技術的電子設備將會急劇成長，預計2019年將會超過2.5億。

能量采集技術應用范圍廣泛，目前在我們的周圍已經有許多運用了能量收集技術的應用。其中，看好該市場并為采集、轉換、儲能等環節提供電源管理解決方案和系統支持的供應商包括凌力爾特、TI 、Energy Micro、Silicon Labs等。

凌力爾特公司電源產品產品市場總監Tony Armstrong

凌力爾特公司電源產品產品市場總監Tony Armstrong介紹，具體應用實例包括：輪胎磨損/壓力監測器、電感耦合智能電網監測器、HVAC和照明控制系統。飛機健康狀況監視和資產跟蹤系統很快也將運用能量采集技術。

Silicon Labs公司MCU產品線資深應用工程師Farris Bar

Silicon Labs公司MCU產品線資深應用工程師Farris Bar也認為，能量采集將很快可以大量實施，因為它為諸如車輛、資產監視等典型應用帶來便利性和自發維護性。而對于更換電池困難或麻煩的所有應用來說，例如用于家居自動化和安全系統的無線傳感器節點，也是一個很好的備選方案，能量采集技術正形成一個超大市場。

積極開拓無線網絡新市場

在我們的家庭、辦公室、工廠和基礎設施中，無線傳感器網絡的廣泛部署為系統設計人員創建獨特的無線傳感器節點供電方法，從而可以為新一代產品提供靈活的外形選擇和增強的功能性，開拓新的市場。Farris Bar介紹，在最近幾年中，能量收集已經成為嵌入式系統設計人員的供電選擇，使無線傳感器節點可以用于之前不能通過傳統電池供電實現的應用。例如系統設計人員基于能量采集供電電源構建的超薄無線傳感器節點，其傳輸范圍超過100米，使用壽命超過20年。

采用收集的能量源為無線傳感器節點供電的能力允許嵌入式設計人員提供可顯著降低終端用戶成本的無線網絡系統，它提供了綠色環境效益，即更少的填埋電池。Farris Bar表示，在未來，除了當前應用廣泛的太陽能電池之外，我們將會看到能量收集解決方案供應商提供多種不同類型的能量收集源為無線傳感器節點供電。如果無線傳感器節點放置在光源無法到達的地方，節點可以通過熱、震動(壓電式)或甚至無線電波能量收集源提供電源。在使用太陽能電池的示例中，能量管理、存儲和無線傳感器節點電路本質上是相同的。不管收集的是何種能量源，系統的設計原理都是相同的：捕獲有限的能量源并存儲到薄膜電池，然后使之為超低功耗無線傳感器節點供電。

環境能量源包括光、溫差、機械振動、已發送的射頻(RF)信號或任何其他能夠通過某種換能器產生電荷的信號源。這些能量源都在我們的身邊，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發生器(TEG)、面向振動的壓電式元件、面向太陽光(或室內照明光)的光伏電池等，可將其轉換成電能，甚至可以利用濕氣產生電能。此類所謂的“免費”能量源可用來自主地給電子組件和系統供電。

從現成可用的來源采集能量后，不需要電線或電池就能無限期地為應用供電，也可以延長電池供電型系統的工作時間。不過，要想成功地實現一款能量采集解決方案，就必需詳細了解環境能量源的特性和采集器/換能器的輸出功率能力以及系統的功率要求。

Tony Armstrong介紹，一個典型的能量采集配置或無線傳感器節點(WSN)由4個方框組成，如圖所示。它們是：1) 環境能量源；2) 換能器組件和給下游電子線路供電的電源轉換電路；3) 將該節點連接到現實世界的檢測組件和計算組件(由微處理器或微控制器組成，負責處理測量數據并將數據儲存到存儲器中)；4) 由短程無線單元組成的通信組件，用于實現與相鄰節點及外部世界的無線通信。

一個典型的能量采集系統或無線傳感器節點的主要組成方框圖

一旦電能產生出來，就可以由能量采集電路轉換并調整為合適的形式，以給下游電子線路供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可由一個模數轉換器進行處理，以通過一個超低功率無線收發器傳送。

專利、成本和能量平衡是關鍵挑戰

雖然由采集的能量供電系統已經存在多年了，但是開發人員一直面臨在極低功耗預算內實現無線傳感器節點的困難。Farris Bar表示，能量收集系統開發中的一個主要挑戰是需要確保所收集的能量大于或等于系統消耗的能量。在能量收集系統中平衡能量生成和使用是使系統能夠實現永久運行的關鍵。

Silicon Labs通過創建基于其Si10xx無線MCU(業內最高能效的單芯片MCU)和無線收發器解決方案的無線能量收集系統克服這個設計挑戰。Silicon Labs Si10xx無線MCU因為其超低功耗成為能量收集參考設計的理想選擇，可以在有限能量源(即采用薄膜電池進行能量存儲的太陽能電池)下有效運行。

Farris Bar表示，自從在2011年夏天推出能量收集參考設計以來，已經看到市場對該解決方案的強勁需求。由太陽能收集源供電，Silicon Labs的ENERGY-HARVEST-RD參考設計使開發人員可以為家居自動化、安全系統、工業控制、醫療監控、資產跟蹤、基礎設施以及農業監視系統等實現自我維持、超低功耗的無線傳感器網絡。Silicon Labs可提供Turnkey能量收集參考設計，以支持客戶實現高能效的無線傳感器節點應用。

富昌電子產品營銷中心分立器件產品營銷經理Desmond Cheng

此外，能量采集技術的推廣和應用也面臨不少來自現實中的挑戰。富昌電子產品營銷中心分立器件產品營銷經理Desmond Cheng表示，能量采集技術應用很廣泛，但在具體將其推廣到亞太地區尤其是中國市場時，還要面臨成本和產品專利保護的問題。

富昌電子能源事業部正式成立于2009年5月，兩三年前逐漸開始在中國的業務，關注太陽能和風能市場，以及智能電網、電動汽車、能量采集等種應用。富昌電子提供相應的各類電子元器件，以及參考方案設計，并為客戶定制供應鏈管理方案。

“成本控制和應用需求這兩方面，需要平衡起來。” Desmond Cheng表示，在能量采集設計方案中運用到的電子元器件要求體積越來越小，功耗卻越來越大，這樣的元器件價錢實在不便宜，因此也造成目前多數能量采集產品成本較高，受眾不廣的窘境。當然，隨著技術進步與規模擴大化，這一情況會逐漸得到解決。

產品專利保護問題同樣需要時間來解決。Desmond Cheng指出，一些小的消費類應用，例如太陽能自發光背包、太陽能LED領帶等，由于所涉及的技術門檻較低，很容易被跟風模仿。只有一個完善的專利保護環境，才更有利于能量采集技術應用走近大眾身邊。