如何通过在工业物联网中获取能量来获取机器诊断?
工业设备的诊断数据是物联网的关键资源。通过远程监控设备的状况，操作员可以识别出有问题的机器。这些数据甚至可以预测哪些系统正在失效，并将它们替换为日常维护的一部分，而不是灾难性和代价高昂的失败。
通过IoT，可以在云中分析所有这些数据，提供警报和指示板，以便允许来自世界各地的监控。然而，这个模型有一个关键的挑战，那就是获取数据。虽然现代系统可能有内置的诊断系统，但这些可能与云无关，而旧的设备在监测电子设备方面可能极其有限。这可能是由于缺乏传感器和通信链路以及可用的电力。
能源收获是在工业物联网中监测和诊断的关键能力。能够在环境中为无线传感器节点提供能量，使得这些节点可以连接到设备上，这样操作员就可以从数据中获得最佳值。
各种各样的能量采集源可用于获取这一关键诊断数据。一种特别优雅的方法是利用工业设备的振动来驱动无线节点并充当传感器。压电式传感器可以调谐到来自设备振动的共振频率，这可以用来为无线传感器节点供电。一个为能量收集而优化的成熟的电源管理器，如线性技术的LTC3588，可以从压电晶体中捕获和修改电流，从而为无线收发器供电。来自SparkFun电子(如图1所示)的评估板提供连接到LTC3588以连接到电源。4个输出电压，1.8 V, 2.5 V, 3.3 V和3.6 V，是可选择的器件，具有高达100 mA的连续输出电流;然而，输出电容的大小可能会导致输出电流的增加。在20伏的输入保护分流装置，为给定的输入电容提供更大的能量存储。
SparkFun电子LTC3588电源管理评估板图像。
图1:来自SparkFun电子公司的LTC3588电力管理评估板。
然而，利用振动能量来驱动诊断节点还有另一个好处。通过监测晶体中的电流，可以检测到设备振动的任何变化，以及机器的健康状况。这是一种复杂的转换算法，通常需要比能量采集系统更大的处理能力;但随着无线连接物联网，数据可以被上传到云端进行分析，跟踪震动剖面的变化。这些卡尔曼算法可以应用于云中的数据进行预防分析，可以监测设备的健康状况，预测故障。这使得设备可以被替换为日常维护的一部分，并且避免了潜在的昂贵的关闭。
压电式能量源并不是获取基本诊断数据的唯一选择。太阳能电池是为无线传感器节点提供电力的一种常见方式，无需担心电力或网络连接。今天的电池具有从室内照明提供电力的效率。这些需要电源管理可以处理变量来源微瓦(µW)毫瓦(mW)。
S6AE101A是一种电源管理IC (PMIC)，用于从Cypress半导体中获取能量，可用于连接串联的太阳能电池、输出功率控制电路、输出电容存储电路以及主电池的电源开关电路。它使用250 nA和创业只有1.2µW的力量。因此，即使是少量的发电，也可以在低亮度环境下，在工业场所约100lx的低亮度环境下获得。
该板将太阳能电池产生的能量储存在一个使用内置开关控制的输出电容上，它打开电源开关电路，而电容器电压在预设的最大和最小范围内，为负载提供能量。如果太阳能电池所产生的能量还不够，能量也可以像太阳能电池一样提供给辅助电源。此外，一个过电压保护(OVP)功能被内置在太阳能电池的输入插脚上，而太阳能电池的开放电压被用于防止过电压的状态。
类似的热能发电机(TEG)装置可以从温差中提供能量，这种技术被称为“塞贝克效应”。TEG的发电机使用硅技术减少了尺寸。硅是最新的发电机1毫米厚,可以生成100µW 10兆瓦的电力几度的温差。这允许一个小型的传感器板与无线收发器，由温差驱动，提供来自工业设备的诊断数据。
来自德州仪器的bq25570是一种电池管理装置，可以处理从压电、太阳能或TEG能量收集装置到100 mV的可变电压。bq25570调节其输入电压，使其不会在充电时将输入源压断，而将存储元件充电到设定的电压点上，并有一个集成的buck调节器，它提供来自充电器输出的调节输出。当充电器的存储元件达到用户设定的电压水平时，电源输出就会显示出来。
德州仪器bq25570评估板图像。
图2:来自德州仪器的bq25570评估板。
这是在一个评估板(图2)上演示的，它允许实现不同的源来查看哪个源最适合应用程序。在最小跳线改变的情况下，评估模块也可以配置为超低功率的升压变换器，调节低阻抗源的输出电压，同时从buck调节器提供第二个输出电压来驱动其他设备，如无线收发器。
可编程的输入电压调节是通过跳线或电阻设置的，通过电阻输出电压最大设置为4.2 V，最大输出电压设为1.8 V。有多个跳线器、连接器和测试点可用，以便电力子系统可以与能量采集源相匹配。只要VBAT(如图3所示)的存储单元电压高于2.0 V的内部编程过电压，就将4.2 V输出应用到存储元件上。集成的buck转换器提供1.8 V和100 mA at VOUT。VBAT_OK指示器切换至3.0 V，当VSTOR ramps下降到2.8 V时切换到低水平。
德州仪器bq25570评估板图(按全尺寸点击)
图3:bq25570评估板的示意图，显示了从高阻抗能量采集源的不同功率输出的电阻设置。
用这种装置设计高阻抗源，如太阳能电池，与交流/直流转换器或大型电池系统有很大的不同。这就要求将任何时间单位的系统负载与同一时间单元的预期负载进行比较。通常没有足够的实时获取能量来运行整个系统(例如，在晚上的太阳能电池板)，所以电能被收集和存储。
这意味着能量采集源必须与可充电锂电池或电容器等存储元件相匹配，以便在不可能获得能量的情况下，可以使用它来为无线收发器供电。收发器然后处理来自无线节点的传感器的数据，监测温度、振动或湿度。电源状态，如LTC3588、S6AE101A或bq25570上的引脚上的过电压或过电压，也可以连接到收发器，以突出电源的任何问题。这就显示了存储元素的健康状况，并允许在它失败之前将传感器节点替换为日常维护的一部分。
结论
一个能量采集源可以为无线传感器节点提供电能，用于监控物联网中的工业设备。这样就可以将节点从电源线中释放出来，从而使其处于正确的位置，以便提供用于监视机器健康所需的诊断数据。
有一系列的技术可以从工业环境中获取能量，从机器的振动和工厂的照明能量到温度差异的热能。将这些电源与电源管理设备相匹配，该设备可以针对非常小的、可变的电流进行优化，从而允许存储元素保持电源。这可以用来为无线收发器供电，将诊断传感器数据传送到云端，在那里卡尔曼算法可以用来预测系统的健康状况。通过允许常规的维护来替换设备，包括无线节点，在它失败之前，这样的工业Internet的实现可以节约成本。