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)習等多項技術(shù)進(jìn)步的綜合促進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)應用的多樣性也在擴展。低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 的出現使傳感器能夠定期從遠程位置傳送數據，而無(wú)需任何電纜供電的電源。所有這些技術(shù)進(jìn)步一起消除了智能農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用所面臨的障礙，從而能夠在遠離電力線(xiàn)和沒(méi)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(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)

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(wǎng)設備正在迅速普及，當然這只是眾多物聯(lián)網(wǎng)應用中的兩個(gè)典型例子。但是，其中的電池容量決定了設備可以運行多長(cháng)時(shí)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(lái)的成本更高，尤其是在偏遠地區，變得異常高昂。因此，電池壽命少于六個(gè)月通常是根本不可行的。

將傳感器的微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器盡可能長(cháng)時(shí)間保持在深度睡眠模式能夠延長(cháng)電池壽命。此外，某些特定類(lèi)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不太可能在 30 分鐘內發(fā)生太大變化，因此每半小時(shí)讀取一次數據也會(huì )產(chǎn)生合理的指示。每個(gè)周期，設備的微控制器都會(huì )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(dòng)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(zhù)高于幾個(gè) μA 的睡眠模式，甚至短時(shí)間內可能達到 100 mA。

認真地考慮電源管理技術(shù)可以節省電池容量，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(gè)謹慎的選擇，但如何保持充電呢？長(cháng)期以來(lái)，使用太陽(yáng)能電池板能夠為戶(hù)外設備充電，但這并不是從周?chē)h(huán)境中獲取能量的唯一方法。許多物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備的低功耗特性意味著(zhù)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(yáng)能：對于許多戶(hù)外應用來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能已經(jīng)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(huì )。在室內，收集的能量高度依賴(lài)于可用的光源、環(huán)境溫度和所處位置。因此，與室外太陽(yáng)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(dòng)：許多研究論文報道了從機械運動(dòng)中獲取的不同類(lèi)型能量。這種機械運動(dòng)可能偶爾會(huì )發(fā)生，例如人們在橋上行走，或者有規律地發(fā)生，例如電機外殼的自然振動(dòng)。能量傳感器包括集成壓電元件，能夠將振動(dòng)轉換為電能，以及線(xiàn)圈通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)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(fēng)能和水力：這些方法采用動(dòng)能從風(fēng)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(chǎn)生電能。對于這種能量收獲方法，以及風(fēng)力渦輪機旋轉葉片的安全性，尺寸是一個(gè)重要的考慮因素。然而，盡管有實(shí)際限制，收集的能量對于小型物聯(lián)網(wǎng)傳感器來(lái)說(shuō)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（Seebeck effect）原理，其中利用兩個(gè)半導體材料絕緣板之間的溫差來(lái)發(fā)電?？梢詫⒍鄠€(gè)熱電模塊組合在一起以充分利用物聯(lián)網(wǎng)設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，根據具體應用的差異，實(shí)現這一點(diǎn)可能存在一些實(shí)際困難

無(wú)線(xiàn)電頻率：利用電磁射頻收集能量是一個(gè)相對較新的概念。隨著(zhù)當今無(wú)線(xiàn)數據和語(yǔ)音連接的擴展以及越來(lái)越多地面廣播電臺和電視臺的出現，在廣泛的無(wú)線(xiàn)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(zhuān)業(yè)的半導體供應商正在利用已經(jīng)可用的 IC 開(kāi)拓該市場(chǎng)，從 ISM、Wi-Fi 和蜂窩頻率進(jìn)行能量收集的研究正在取得一些可喜成果。

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基于物聯(lián)網(wǎng)的應用未來(lái)將展現出幾乎無(wú)限的發(fā)展機會(huì )，而提供可靠的電源仍然是當務(wù)之急。使用可充電電池為設備供電，并通過(guò)從環(huán)境能源中收集能量可提供一種實(shí)用的解決方案。對于某些應用，電池可能會(huì )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(mǎn)足無(wú)線(xiàn)數據鏈路啟動(dòng)和數據交換期間經(jīng)常出現的峰值能量需求。一些半導體供應商已經(jīng)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(yáng)能、壓電和熱電偶等多種能量來(lái)源的收集進(jìn)行優(yōu)化。