來自工業設備的診斷數據是物聯網的關鍵資源。遠程監控設備狀況使操作員能夠識別出有問題的機器。這些數據甚至可以預測哪些系統出現故障，并將其替換為日常維護的一部分，而不是災難性和代價高昂的故障。

借助物聯網，可以在云中分析所有這些數據，提供警報和儀表板，以便在世界任何地方進行監控。但是，這個模型存在一個關鍵挑戰，那就是實際獲取數據。雖然現代系統可能具有內置診斷功能，但這些系統可能無法連接到云端，而舊設備可能在監控電子設備方面受到極大限制。這可能是由于缺乏傳感器和通信鏈路以及可用功率。

能量收集為工業物聯網的監控和診斷提供了關鍵能力。能夠從環境中的能量為無線傳感器節點供電允許這些節點在操作員可以從數據獲得最佳值的點處附接到設備。

可以使用各種能量收集源來獲取這些關鍵的診斷數據。一種特別優雅的方法是使用工業設備的振動來為無線節點供電并充當傳感器。可以將壓電傳感器調諧到來自設備的振動的共振頻率，并且這可以用于為無線傳感器節點供電。針對能量收集進行優化的復雜電源管理器（如凌力爾特公司的LTC3588）可以捕獲和修改壓電晶體的電流，為無線收發器供電。 SparkFun Electronics的評估板（如圖1所示）提供了連接到電源的LTC3588鏈路。四個輸出電壓，1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6 V，可通過器件選擇引腳，連續輸出電流高達100 mA;然而，輸出電容器的大小可以設計成服務于更高的輸出電流突發。設置為20 V的輸入保護分流器可在給定量的輸入電容下實現更大的能量存儲。

圖1：LTC3588電源管理評估板來自SparkFun Electronics

然而，使用振動能量為診斷節點供電還有另一個優點。通過監測晶體的電流，可以檢測到設備振動的任何變化，從而檢測機器的健康狀況。這是一種復雜的轉換算法，通常需要比能量收集系統更多的處理能力;但是通過物聯網的無線鏈接，可以將數據上傳到云中進行分析，跟蹤振動曲線的變化。這些卡爾曼算法可以應用于云中的數據以進行預防性分析，可以監控設備的健康狀況并預測故障。這使得設備可以作為日常維護的一部分進行更換，并避免潛在的昂貴停機。

壓電能源不是獲取基本診斷數據的唯一選擇。太陽能電池是向無線傳感器節點供電的常用方式，而不必擔心電源或網絡連接。今天的電池具有從工業應用中的室內照明提供電力的效率。這些需要電源管理，可以處理從微瓦（μW）到毫瓦（mW）的可變源。

S6AE101A是一種用于Cypress Semiconductor能量收集的電源管理IC（PMIC），可用于太陽能電池串聯連接，輸出功率控制電路，輸出電容器存儲電路和原電池的功率開關電路。它使用250 nA，啟動功率僅為1.2μW。結果，在工業場所中在約100lx的低亮度環境下，甚至可以從緊湊型太陽能電池獲得少量發電。

電路板使用內置開關控制將太陽能電池產生的電能存儲到輸出電容器，并在電容器電壓處于預設的最大和最小范圍內時為電源開關電路供電，以便為負載供電。如果太陽能電池產生的電力不足，則能夠以與連接的一次電池中的太陽能電池相同的方式供應能量以用于輔助電力。此外，太陽能電池的輸入引腳內置過壓保護（OVP）功能，該IC使用太陽能電池的開路電壓來防止過壓狀態。

類似地，熱能發生器（TEG）設備可以通過溫差提供功率，這種技術稱為塞貝克效應。 TEG發生器使用硅技術減小尺寸。 Silicium的最新發電機厚度僅為1 mm，從幾度的溫差可以產生100μW至10 mW的功率。這允許帶有無線收發器的小型傳感器板由溫度差驅動，以提供來自工業設備的診斷數據。

德州儀器（TI）的bq25570是一款電池管理器件，可處理來自壓電，太陽能或TEG能量收集設備的低至100 mV的可變電壓。 bq25570調節其輸入電壓，使其在將存儲元件充電至設定電壓點時不會折疊其輸入源，并具有集成降壓調節器，可提供充電器輸出的穩壓輸出。電源良好輸出指示充電器的存儲元件何時達到用戶設定電壓電平。

圖2：德州儀器（TI）的bq25570評估板

這在評估板上展示（圖2）要實現的不同來源，以查看哪個源最適合應用程序。通過最小的跳線更改，評估模塊還可以配置為超低功耗升壓轉換器，調節低阻抗源的輸出電壓，同時提供降壓穩壓器的第二輸出電壓，以驅動其他設備，如無線收發器。

可編程輸入電壓調節通過跳線或電阻設置，充電器輸出電壓最大值通過電阻設置為4.2 V，充電器最大輸出電壓設置為1.8 V.有多個跳線，連接器和測試點可用，以便電力子系統可以與能量收集源匹配。只要VBAT上的存儲元件電壓（如圖3所示）高于內部編程的2.0 V欠壓，4.2 V輸出就會施加到存儲元件。集成降壓轉換器在VOUT時提供高達1.8 V和100 mA的電壓。當VSTOR上升至3.0 V時，VBAT_OK指示器切換為高電平，當VSTOR下降至2.8 V時，VBAT_OK指示器切換為低電平。

圖3：示意圖bq25570評估板顯示來自高阻抗能量收集源的不同功率輸出的電阻器設置。

使用此類設備設計高阻抗源（如太陽能電池）與AC/DC轉換器或大型電池系統有很大不同。這要求將任何時間單位的系統負載與每個相同時間單位的預期負載進行比較。通常沒有足夠的實時時間來獲取電力以在完全運行時運行系統（例如，在太陽能電池板的夜晚），因此收集并存儲電力。

這意味著能量收集源必須與諸如可充電鋰電池或電容器的存儲元件匹配，以便在無法收集能量時它可用于為無線收發器供電。然后，收發器處理來自無線節點中的傳感器的數據，監測溫度，振動或濕度。電源狀態（例如LTC3588，S6AE101A或bq25570上的引腳的過壓或欠壓）也可以連接到收發器，以突出顯示電源的任何問題。這給出了存儲元件健康狀況的指示，并允許傳感器節點在失敗之前作為日常維護的一部分進行更換。

結論

能量收集源可以為無線傳感器節點提供電源，以監控物聯網中的工業設備。這使節點從電源線上釋放，使其可以放置在正確的位置，以提供監控機器運行狀況所需的診斷數據。

有一系列技術可用于從工業環境中獲取能量，從機器的振動和工廠燈光的能量到溫差的熱能。將這些源與電源管理器件匹配，該器件針對產生的非常小的可變電流進行了優化，允許存儲元件保持電源。然后，這可以用于為無線收發器供電以將診斷傳感器數據傳遞到云，其中卡爾曼算法可以用于預測系統的健康狀況。這種工業物聯網的實施可以通過允許日常維護在失敗之前更換設備（包括無線節點）來節省成本。