能量收集技術加速物聯(lián)網的采用

物聯(lián)網的潛在應用每天都在不斷擴大。由于超低功耗微控制器和基于網路邊緣的機器學習等多項技術進步的綜合促進，物聯(lián)網應用的多樣性也在擴展。低功耗廣域網 (LPWAN) 的出現使傳感器能夠定期從遠程位置傳送數據，而無需任何電纜供電的電源。所有這些技術進步一起消除了智能農業(yè)物聯(lián)網應用所面臨的障礙，從而能夠在遠離電力線和沒有Wi-Fi 連接的田地中部署電池供電的土壤濕度和 pH 傳感器變得更加容易且成本更低。

無線物聯(lián)網

在智能城市和智能農業(yè)應用中配置電池供電的物聯(lián)網設備正在迅速普及，當然這只是眾多物聯(lián)網應用中的兩個典型例子。但是，其中的電池容量決定了設備可以運行多長時間，并且完全取決于設備的功耗特性。與電池成本相比，更換電池帶來的成本更高，尤其是在偏遠地區(qū)，變得異常高昂。因此，電池壽命少于六個月通常是根本不可行的。

將傳感器的微控制器和無線收發(fā)器盡可能長時間保持在深度睡眠模式能夠延長電池壽命。此外，某些特定類型的物聯(lián)網傳感器占空比配置可能相對較低，例如，配置于土壤深層的濕度讀數不太可能在 30 分鐘內發(fā)生太大變化，因此每半小時讀取一次數據也會產生合理的指示。每個周期，設備的微控制器都會喚醒，讀取濕度傳感器數據，并將數據打包以備傳輸。然后收發(fā)器需要啟動到 LPWAN 的鏈接，并發(fā)送完整數據包。在確認收到后，收發(fā)器和微控制器都可以返回到睡眠模式。在鏈路建立和數據傳輸期間，設備的峰值功耗將顯著高于幾個 μA 的睡眠模式，甚至短時間內可能達到 100 mA。

認真地考慮電源管理技術可以節(jié)省電池容量，但最終，電池還是需要更換或充電。

能量收集技術

使用可充電電池是一個謹慎的選擇，但如何保持充電呢？長期以來，使用太陽能電池板能夠為戶外設備充電，但這并不是從周圍環(huán)境中獲取能量的唯一方法。許多物聯(lián)網傳感器設備的低功耗特性意味著電池容量和浮充電（float charge）所需的能量并不十分大。電池容量也決定了其物理尺寸，因此保持較小的容量也有其他好處。產生毫瓦和微瓦能量的新能量收集技術已經證明是可行的替代方案。

太陽能：對于許多戶外應用來說，太陽能已經被廣泛用作一種優(yōu)秀的能源，它還為室內環(huán)境光采集提供了機會。在室內，收集的能量高度依賴于可用的光源、環(huán)境溫度和所處位置。因此，與室外太陽能電池板相比，室內收集的能量更難預測，而且要少得多。

機械振動：許多研究論文報道了從機械運動中獲取的不同類型能量。這種機械運動可能偶爾會發(fā)生，例如人們在橋上行走，或者有規(guī)律地發(fā)生，例如電機外殼的自然振動。能量傳感器包括集成壓電元件，能夠將振動轉換為電能，以及線圈通過磁場時導致的電磁效應。另一種方法則使用基于電容感應的靜電方法。壓電和電磁方法似乎最可行。

風能和水力：這些方法采用動能從風力或水流轉換成電能。在這兩種情況下，小型渦輪機都可以產生電能。對于這種能量收獲方法，以及風力渦輪機旋轉葉片的安全性，尺寸是一個重要的考慮因素。然而，盡管有實際限制，收集的能量對于小型物聯(lián)網傳感器來說已經綽綽有余。

熱電技術：以這種方式產生的電能利用的是塞貝克效應（Seebeck effect）原理，其中利用兩個半導體材料絕緣板之間的溫差來發(fā)電?？梢詫⒍鄠€熱電模塊組合在一起以充分利用物聯(lián)網設備空間限制允許的溫差。溫差越大，產生的能量就越多；但是，根據具體應用的差異，實現這一點可能存在一些實際困難

無線電頻率：利用電磁射頻收集能量是一個相對較新的概念。隨著當今無線數據和語音連接的擴展以及越來越多地面廣播電臺和電視臺的出現，在廣泛的無線電頻譜內收集能量似乎非常有吸引力?？墒占墓β嗜Q于位置、頻率和合適的信號，但專業(yè)的半導體供應商正在利用已經可用的 IC 開拓該市場，從 ISM、Wi-Fi 和蜂窩頻率進行能量收集的研究正在取得一些可喜成果。

收集我們周圍的能量

基于物聯(lián)網的應用未來將展現出幾乎無限的發(fā)展機會，而提供可靠的電源仍然是當務之急。使用可充電電池為設備供電，并通過從環(huán)境能源中收集能量可提供一種實用的解決方案。對于某些應用，電池可能會被超級電容器補充甚至取代，而與電池相結合的超級電容器可以滿足無線數據鏈路啟動和數據交換期間經常出現的峰值能量需求。一些半導體供應商已經擁有一系列高效電源管理和 DC/DC 轉換器 IC，這些 IC能夠針對太陽能、壓電和熱電偶等多種能量來源的收集進行優(yōu)化。