能量收集技術(shù)加速物聯(lián)網(wǎng)的采用

物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用每天都在不斷擴大。由于超低功耗微控制器和基于網(wǎng)路邊緣的機器學(xué)習(xí)等多項技術(shù)進步的綜合促進，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性也在擴展。低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 的出現(xiàn)使傳感器能夠定期從遠程位置傳送數(shù)據(jù)，而無需任何電纜供電的電源。所有這些技術(shù)進步一起消除了智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(wǎng)

在智能城市和智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中配置電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在迅速普及，當(dāng)然這只是眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的兩個典型例子。但是，其中的電池容量決定了設(shè)備可以運行多長時間，并且完全取決于設(shè)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(wǎng)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(shù)不太可能在 30 分鐘內(nèi)發(fā)生太大變化，因此每半小時讀取一次數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生合理的指示。每個周期，設(shè)備的微控制器都會喚醒，讀取濕度傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸期間，設(shè)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(nèi)可能達到 100 mA。

認真地考慮電源管理技術(shù)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(shù)

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(shè)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(wǎng)傳感器設(shè)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(chǎn)生毫瓦和微瓦能量的新能量收集技術(shù)已經(jīng)證明是可行的替代方案。

太陽能：對于許多戶外應(yīng)用來說，太陽能已經(jīng)被廣泛用作一種優(yōu)秀的能源，它還為室內(nèi)環(huán)境光采集提供了機會。在室內(nèi)，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(nèi)收集的能量更難預(yù)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?qū)⒄駝愚D(zhuǎn)換為電能，以及線圈通過磁場時導(dǎo)致的電磁效應(yīng)。另一種方法則使用基于電容感應(yīng)的靜電方法。壓電和電磁方法似乎最可行。

風(fēng)能和水力：這些方法采用動能從風(fēng)力或水流轉(zhuǎn)換成電能。在這兩種情況下，小型渦輪機都可以產(chǎn)生電能。對于這種能量收獲方法，以及風(fēng)力渦輪機旋轉(zhuǎn)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(wǎng)傳感器來說已經(jīng)綽綽有余。

熱電技術(shù)：以這種方式產(chǎn)生的電能利用的是塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）原理，其中利用兩個半導(dǎo)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(wǎng)設(shè)備空間限制允許的溫差。溫差越大，產(chǎn)生的能量就越多；但是，根據(jù)具體應(yīng)用的差異，實現(xiàn)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(dāng)今無線數(shù)據(jù)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(xiàn)，在廣泛的無線電頻譜內(nèi)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(dǎo)體供應(yīng)商正在利用已經(jīng)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(wǎng)的應(yīng)用未來將展現(xiàn)出幾乎無限的發(fā)展機會，而提供可靠的電源仍然是當(dāng)務(wù)之急。使用可充電電池為設(shè)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(yīng)用，電池可能會被超級電容器補充甚至取代，而與電池相結(jié)合的超級電容器可以滿足無線數(shù)據(jù)鏈路啟動和數(shù)據(jù)交換期間經(jīng)常出現(xiàn)的峰值能量需求。一些半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)擁有一系列高效電源管理和 DC/DC 轉(zhuǎn)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。