【导读】无线传感器节点正越来越多地应用于我们的日常生活中，因为它们适合在多种多样以及难以到达的环境中使用。它们不需要接通电源，因为它们通常都连接到电池。
无线传感器节点正越来越多地应用于我们的日常生活中，因为它们适合在多种多样以及难以到达的环境中使用。它们不需要接通电源，因为它们通常都连接到电池。然而，电池的续航能力是有限的，电量用完的电池必须进行更换或充电，但更换电池需要花费时间和精力，并可能产生非常高的成本。如果能延长电池续航时间，就可以避免这样的问题，同时还意味着长寿命应用也可以使用独立的传感器节点。这可以借助能量收集来实现。能量收集器可以从环境中收集可用的能量，如机械能、热能或光伏能量，并将其转化为电能。本文将展示不同的能量收集技术和有效存储所收集的能量所需的电路。
能量收集技术
无线传感器节点 (WSN) 可以感知、处理和传输特定的参数。它们对于环境和结构监测具有重要意义，在医疗领域也应用于监测人体健康。它们通常由电池供电，并且经常长时间使用，所以电池续航时间对它们而言至关重要。
这些传感器节点通常用在难以到达的地方，要在电量用完时进行充电或更换电池，会是一件非常昂贵的事情。目前有多种方法可以降低WSN能耗并大幅延长电池续航时间，包括调节WSN内部的功耗，以及通过编程的方式根据忙闲度来控制其运行，使之在通常情况下持续运行在低功耗模式（深度睡眠）下，只在较短的时间内激活以便执行数据采集、计算、测量和通信等任务。
许多新兴应用都需要数十年的网络寿命，仅靠电池已经难以满足需求。如果要将无线传感器部署到运行时间超出电池续航能力的长期应用中，可以通过能量收集器来延长电池续航时间，确保WSN能够自我供电，最终达到所需的续航时间，具体实现方式如(图1)所示。
图1：由能量收集供电的无线传感器节点示意图（图源：贸泽电子）
要借助能量收集器为WSN供电，首先要调查可用的环境能量来源，主要包括光、热、机械振动、射频 (RF) 和风。要将从这些能量来源收集的能量转变为电能，需要采用相应的换能装置，例如通过光伏电池收集室内照明能量、通过压电元件收集振动能量，以及通过热传导发电机 (TEG) 收集温差能量。随后，需要通过电源管理电路将收集的能量储存到电池或超级电容中。
电源管理
电源管理电路的目的是将能量收集器与传感器节点连接起来，同时尽可能高效地转化收集到的能量。在电源管理电路中，首先要考虑的是收集器的输出电压，因为不同类型能量收集器的输出电压是不同的，例如热传导发电机输出的是毫伏级别的直流电压，而压电发电机输出的是几伏到几十伏的交流电压。对于后者，电源管理电路必须对能量收集器的输出进行整流，并将电压转换至1.8V到3.6V之间，也就是传感器节点的标准工作电压。此外，电源管理电路的内部阻抗必须匹配压电发电机的阻抗（通常为数千欧至数兆欧），从而尽可能高效地传输能量。
整流
产生交流电压的能量收集器种类包括电磁式（射频）、电磁式（机械）、静电式和压电式，它们产生的交流电压必须经过整流才能供WSN使用。整流是电源管理电路所需的第一个部分，(图2)所示即为连接到压电元件的全波桥整流电路。
图2：连接到压电元件的整流电路（图源：贸泽电子）
相比单二极管而言，桥式整流器是更受欢迎的选择，因为它能提供全波整流，将交变电压变换为直流脉动电压。对于真正的二极管，必须要考虑正向电压，硅二极管的正向电压为0.7V，锗二极管为0.3V，肖特基二极管仅为0.1V。电容Cr（图2）用作平滑电容。在此例中，整流电压以电能的形式储存在电容器中，并为负载RL供电。
DC/DC转换器
电源管理电路的另一大主要功能是调节能量收集器产生的电压。如果电压太低，就必须升高电压；反之，如果电压太高，就必须降低电压。要让WSN正常工作，就需要将工作电压稳定在1.8V和3.6V之间，并且要以尽可能高效的方式来进行，从而尽量降低能量损失。此外，电源管理电路还负责为WSN电池充电。为了简化设计过程，有多种产品可用于处理由能量收集器供电的WSN的电源管理。
e-peas AEM10941是一款能量收集电源管理集成电路，可从最多7芯的太阳能面板中获取直流电。该产品采用超低功率升压转换器，可以为锂离子 (Li-ion) 电池、薄膜电池或超级电容充电。AEM10941具有超低功率冷启动功能，可以在输入电压低至380mV、输入功率仅3μW的情况下启动工作。它有两种电源电压：
LVOUT（低压），1.2V或1.8V，用于向微控制器供电。
HVOUT（高压），可为无线电收发器供电，电压可以在1.8V到4.1V之间进行配置。
两种电源电压选项的产品均采用高效的低压差 (LDO) 稳压器驱动，以确保低噪声和高稳定性。(图3)所示为AEM10941的典型应用。
图3：AEM10941应用实例示意图（图源：e-peas）
Analog Devices LTC3331是另一款多合一电源管理IC电路，可以连接到采用压电、太阳能或磁力等能量来源的能量收集器。该产品集成了全波桥式整流器，并且结合了降压开关稳压器和降压-升压开关稳压器。此外，该产品配备片上优先排序器，可根据收集的能量或电池的可用电量选择合适的转换器。LTC3331可以处理3V至19V之间的能量收集输入电压。该产品还包含低静态电流并联电池充电器，可利用收集的能量为锂离子电池充电。(图4)所示为LTC3331典型应用的电路示意图。
图4：LTC3331典型应用电路示意图（图源：Analog Devices）
存储
可充电电池和超级电容是最常出现的两种储能产品。超级电容类似于传统的电容器，但它们能够以较小的尺寸实现非常高的容量，并且与可充电电池相比具有若干优势，例如：
· 超级电容可以根据需要频繁充放电，而电化学电池的典型寿命不足1000次。
· 超级电容可以通过简单的充电电路快速充电，降低了系统的复杂性，而且无需借助保护电路来防止过度充电或过度放电。
· 漏电流和自放电对电池和超级电容都会构成影响。电池的优点是自放电问题比超级电容小得多，因为电池的比能较高，可以使电荷保持更长时间。
结论
现在，我面需要提出的问题是：能量收集值得吗？这取决于你想要运行多长时间的应用。可以确定的是，能量收集确实可以延长电池续航，以支持WSN运行更长时间，但只有当收集的能量能够满足WSN的功耗时才可行。/ 前言 /
温度传感器是指对温度进行感应，并将感应的温度变化情况转换为电信号的功能部件。我们在练习温度传感器检测代换之前，要先对温度传感器的安装位置、结构特点和工作原理有一定的了解。
/ 温度传感器的安装位置结构 /
在空调器室内机中，通常设有两个温度传感器，即室内温度传感器和管路温度传感器。室内温度传感器的感温头通常安装在蒸发器的表面，即进风口的前侧，主要用于检测房间内的温度；管路温度传感器的感温头通常贴装在蒸发器的管路上，由一个卡子固定在铜管中，主要用于检测蒸发器管路的温度。下面让我们具体了解一下温度传感器在空调器室内机中的安装位置。
这两个温度传感器的主要作用就是感应当前的工作温度，并将感应到的温度直接传送给系统控制集成电路，以维持空调器的正常工作。室内温度传感器和管路温度传感器都通过信号线和插件与主控电路关联，并将感测的室内温度信号、蒸发器的温度信号送入微处理器中，经微处理运算调节决定空调器的当前运行状态。温度传感器实质是一种热敏电阻器，是利用热敏电阻器的电阻值随温度变化而变化的特性来測量温度及与温度有关的参数，井将参数变化量转换为电信号，送入控制部分，实现自动控制。
/ 温度传感器的工作过程 /
下面我们先了解一下温度传感器是如何感测室内温度的。下图是典型空调器室内机温度传感器的工作原理示意图。
1.室内温度传感器输入信号
室内温度传感器TH1的一端接+5V电压，另一端接由二个电阻构成的分压电路，当TH1检测到温度发生变化时，其阻值变化引起分压电路的电压变化，将室温信号送入微处理器的38脚。室内温度传感器TH1的两端并联一个电容，在正常温度下，该温度传感器输入端的电压约为2V。
管路温度传感器TH2的输岀信号经电阻分压后，由微处理器的37脚输入。该电压信号反映了室内机盘管的温度。在正常情况下，该温度传感器输入的电压约为3V。
2.回管路温度传感器输入信号
另外，温度传感器根据其感应特性的不同可分为PTC传感器和NTC传感器两大类。其中，NTC传感器为负温度系数传感器，即传感器的阻值随温度的升高而减小；PTC传感器为正温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而增大。
/ 温度传感器的检测方法 /
在空调器中，温度传感器是不可缺少的控制器件，如果温度传感器损坏或异常，通常会引起空调器不工作、空调器室外机不运行等故障，因此掌握温度传感器的检修方法是十分必要的。
检测温度传感器通常有两种方法：一种是在路检测温度传感器的供电端信号和输出电压（送入微处理器的电压）；一种是在开路状态下，检测不同温度环境下的阻值。
在路检测温度传感器相关电压值时，将室内机中的电路板从其电路板支架中取出，然后连接好各种组件，接通电源，在路状态下，对空调器中的温度传感器进行检测。
检测前，应先弄清楚温度传感器与其他元件之间的关系，分析或找准在正常情况下相关的电压值，然后进行检测，根据检测结果判断好坏。下图为空调器温度传感器的检测示意图。
可以看到，在正常情况下，室内温度传感器与管路温度传感器均有一只引脚经电感器后与5V供电电压相连，因此在正常情况下，两只温度传感器的供电端电压应为5V，否则应判断传感器是否为开路故障。
另外一只引脚连接在电阻器分压电路的分压点上，并将该电压送入微处理器中，在正常情况下，室内环境温度传感器送给微处理器的电压应为2V左右，管路温度传感器送给微处理器的电压值应为3V左右，温度变化，其电压也变化，范围为0.55~4.5V.否则说明温度传感器异常。
空调器室内温度传感器与管路温度传感器经电感器与5V供电电路关联，在正常情况下用万用表的直流电压挡对该端电压进行检测。若电压正常，则说明温度传感器供电正常；若无电压，则检测传感器是否开路或电源供电部分是否异常。
温度传感器工作时，将温度的变化信号转换为电信号，经插座、电阻器后送入微处理器的相关引脚中，可用万用表的直流电压挡检测传感器插座上送入微处理引脚端的电压值，在正常情况下应可测得2〜3V的电压值。
若温度传感器的供电电压正常，插座处分压点的电压为0V，则多为外接传感器损坏，应对其进行更换。一般来说，若微处理器的传感器信号输入引脚处的电压高于4.5V或低于0.5V，都可以判断为温度传感器损坏。另外，温度传感器外接分压电阻开路也会引起空调器不工作、开机报警温度传感器故障的情况。
开路检测温度传感器是指将传感器与电路分离，在不加电的情况下，在不同的温度状态（常温和高温）时，通过检测温度传感器的阻值变化情况来判断温度传感器的好坏。开路状态下检测空调器温度传感器的方法如下图所示。
在常温下，对管路温度传感器进行检测，即将管路温度传感器放置在室内环境下，用万用表的电阻挡检测其电阻值，正常情况下，蒸发器管路温度传感器的阻值为6.45k左右，室内环境温度传感器的阻值为6.18k左右。
在高温下检测温度传感器时，可以人为提高温度传感器的环境温度，如用水杯盛些热水，并将温度传感器的感应头放入水杯中。后再用万用表进行检测。
空调器的温度传感器为负温度传感器。因此在高温状态下，检测室内温度传感器和管路温度传感器的阻值应变小，如上述测试中。在高温下，室内环境温度传感器的阻值为1.87k左右，管路温度传感器的阻值为1.022k左右。
如果温度传感器在常温、热水和冷水中的阻值没有变化或变化不明显，则表明温度传感器工作已经失常，应及时更换。如果温度传感器的阻值一直都是很大（趋于无穷大），则说明温度传感器出现了故障如果温度传感器在开路检测时正常，而在路检测时其引脚的电压值过高或过低，就要对电路部分做进一步的检測，以排除故障。
温度传感器阻值偏髙或偏低都将引起空调器工作失常的故障’当温度传感器阻值变小时，相当于检测到温度升高，微处理器接收到该传感器送来的信号后，会以为室内温度或蒸发器管路温度高于一定值。从而控制空调器室内机风扇电动机一直运行；若温度传感器阻值变大，则相当于检测到温度降低，微处理器同样会参照该信号（并非正常的信号）对空调器做出相应的控制，引起空调器控制异常的故障。
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