深度分析!電池阻礙物聯(lián)網(wǎng)大規模發(fā)展的8個(gè)原因

為了提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的構建效率，采用電池為物聯(lián)網(wǎng)終端供電已成為當下的主流模式，但電池的續航畢竟是有限的，提供便捷安裝的同時(shí)也意味著(zhù)需要定期更換電池來(lái)保障傳感器網(wǎng)絡(luò )的正常運行，這大大的限制了物聯(lián)網(wǎng)的增長(cháng)速度。

現實(shí)生活中遍布著(zhù)數以?xún)|級的傳感器

設想一下，當數十甚至上百億的傳感器都采用電池供電時(shí)，維護產(chǎn)生的人力物力成本將達一個(gè)不可預估的數目，而這還只是經(jīng)濟方面的支出。英國知名研究公司IDTechEx在其《Battery Elimination in Electronics and Electrical Engineering 2018-2028》研究報告中指出：如果必須更換電池，物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)就無(wú)法部署數千億，更是至少有80%的物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值遭到破壞。主要原因是手動(dòng)維護需求、有限的續航和節能技術(shù)導致的數據空白，以及為此類(lèi)傳感器供電所生產(chǎn)和處置都對環(huán)境造成危害的大量電池。

實(shí)際上，電池供電的傳感器在物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展過(guò)程中所面臨的困難還遠不止以上幾種，一些隱性的問(wèn)題也在客觀(guān)影響著(zhù)傳感器的續航和穩定性，如果不盡早解決這些難題，將對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

01:電池供電的傳感器需要手動(dòng)維護

為傳感器供電的電池續航是有限的，為了保障傳感器網(wǎng)絡(luò )的正常工作，所有的電池都需要定期更換。根據分析師預測的數據顯示：假設我們?yōu)槿f(wàn)億數量的傳感器搭載一個(gè)可續航10年的電池，那么我們每天需要更換274,000,000塊電池才能保持傳感器網(wǎng)絡(luò )正常運行，如果電池續航縮減為3年，每天更換的電池數量將接近10億次。而且整個(gè)過(guò)程目前仍需人工手動(dòng)完成，這將帶來(lái)持續的人力成本和材料成本支出。

電池供電的各類(lèi)表計需要定期更換電池

更嚴重的是，頻繁的更換電池破壞了連接傳感器的核心價(jià)值，企業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)傳感器的主要原因之一就是這些設備可以幫助企業(yè)消除設備、機械及管道或其他資產(chǎn)的自動(dòng)化監測。但如果這些傳感器本身依舊需要人為定期維護以確保其正常運行，那么實(shí)施自動(dòng)化監測的意義將大大降低。

02:電池有限續航可能導致數據缺口

電池供電的傳感器必將面臨電量耗盡的情況，停止工作的傳感器將不會(huì )上傳任何數據至后臺，除非運維團隊能夠提前發(fā)現傳感器電池電量即將耗盡，并準確掌握傳感器位置信息并進(jìn)行及時(shí)更換，否則企業(yè)將徹底丟失傳感器在此期間所采集的全部數據。

監測電力塔的傳感器續航耗盡可能導致風(fēng)險

其次，由于企業(yè)或者工廠(chǎng)普遍利用傳感器來(lái)進(jìn)行關(guān)乎安全或者重要設備數據的監測和傳輸，電池的耗盡極有可能造成人身傷害或者資產(chǎn)方面的重大損失。

03:傳感器通常較低頻次地傳輸數據

實(shí)時(shí)性是物聯(lián)網(wǎng)傳感器的核心能力之一，樂(lè )觀(guān)的情況下，企業(yè)在關(guān)鍵位置所部署的傳物聯(lián)網(wǎng)設備，例如安裝在化工廠(chǎng)管道節點(diǎn)位置以持續監測有毒物質(zhì)是否泄露的傳感器，應該非常頻繁地上傳數據，但現實(shí)當中卻并非都如此。

為了延長(cháng)電池的續航時(shí)長(cháng)，許多物聯(lián)網(wǎng)傳感器所配置的數據更新頻次極低，有時(shí)甚至是每10天乃至更久才傳輸一次數據。這將導致管理人員無(wú)法準確掌握被監測設備的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，隨著(zhù)時(shí)間的不斷推移，這些滯后的數據將大大提高誤判的可能性，不僅無(wú)法體現物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知的特點(diǎn)，還給企業(yè)的生產(chǎn)運營(yíng)帶來(lái)了極大的安全隱患。

04:物理尺寸會(huì )限制傳感器功能

在構成物聯(lián)網(wǎng)傳感器的眾多分立元件中，電池的體積是最大的，這主要是為了保障設備擁有足夠的續航時(shí)長(cháng)。但電池較大的尺寸和重量通常會(huì )限制傳感器的實(shí)用性，例如電子標簽、電子卡牌此類(lèi)對重量和大小極其敏感的產(chǎn)品，就很難采用這一方案。

電池體積極大限制了產(chǎn)品小型化設計

其次，過(guò)大的電池使得小尺寸的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也充滿(mǎn)種種挑戰，在產(chǎn)品體積的限制下，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師必須在減少電池大小或者縮減功能兩方面做出選擇，但這樣做很難保障產(chǎn)品不損失既定的續航時(shí)長(cháng)和功能需求。

05:潛在的健康隱患和環(huán)境污染

憑借重量輕、續航久等優(yōu)點(diǎn)，鋰電池如今已成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電的首選。但帶來(lái)了便捷的同時(shí)，這些鋰電池也由于其潛在的有毒材料，對人類(lèi)健康及自然環(huán)境都造成了嚴重的威脅。

面對不斷涌現的電池需求，生產(chǎn)商勢必需要大量開(kāi)采鋰、鈷、鎳、錳和石墨等生產(chǎn)鋰電池的關(guān)鍵原材料，整個(gè)過(guò)程不僅需要消耗大量的能源和水，同時(shí)還經(jīng)常對當地環(huán)境造成化學(xué)污染和地質(zhì)破壞。其次，電池在生產(chǎn)和廢棄處置環(huán)節中意外浸出的鈷、銅和其他物質(zhì)也對人體健康直接構成危害。

原材料開(kāi)采對生態(tài)造成巨大破壞

另一方面，電池原材料的無(wú)限制開(kāi)采也不利于可持續發(fā)展戰略，客觀(guān)原因之一是材料資源儲備是有限的，當地球上再無(wú)材料時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)將面臨無(wú)電池可用的窘境。

06:限制傳感器的“摩爾定律”

近些年，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的性能無(wú)論是在智能化、集成度等方面都得到了顯著(zhù)的提升，但值得注意的是，為這些設備供電的電池長(cháng)時(shí)間以來(lái)性能升級的速度卻極為緩慢。

美國克萊姆森大學(xué)在《精密的無(wú)電池感應》這一論文中指出，與其他技術(shù)領(lǐng)域不同，摩爾定律（半導體性能大約每18個(gè)月翻番）不適用于電池技術(shù)生產(chǎn)和研究中使用的化學(xué)和制造工藝。

電池性能進(jìn)步速度遠低于半導體性能迭代速度

隨著(zhù)二十世紀末微電子技術(shù)的發(fā)展，鋰電池得到大規模應用，其性能進(jìn)一步提升，續航更加持久，重量也有了大幅降低，但從整體來(lái)看，電池各方面性能的進(jìn)步每年最多只有幾個(gè)百分點(diǎn)，遠遠不足以跟上總體計算能力的進(jìn)步，難以支撐物聯(lián)網(wǎng)設備不斷增長(cháng)的需求。

07:元件差異限制續航時(shí)長(cháng) 

當前，大部分的物聯(lián)網(wǎng)設備都是通過(guò)高度集成化而來(lái)，設備中的數據傳感、處理、內存及通信等模塊都需要電池模塊供電以保障正常工作，但值得注意的是，不同廠(chǎng)商所開(kāi)發(fā)的元器件對于功耗的優(yōu)化處理是存在差異的，當這些元件被集成在一起之后，對于設備的整體續航時(shí)長(cháng)必然會(huì )存在影響。

特別是近些年，市場(chǎng)更加青睞續航更長(cháng)的設備，一些廠(chǎng)商為了提高自身產(chǎn)品的競爭力，積極開(kāi)發(fā)“超低功耗”的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器元件，例如微控制器（MCU）就是為低功耗而設計的，它也的確能為延長(cháng)續航做出貢獻，但如果掃描器、溫濕度計傳感器或游戲設備的芯片并非如此，哪怕是經(jīng)過(guò)了高度集成化的處理，利用電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò )續航時(shí)長(cháng)依舊無(wú)法得到顯著(zhù)提升。

08:獨立元器件導致傳感器性能不佳

除了續航時(shí)長(cháng)，不同元件所構建的傳感器還存在另外一個(gè)問(wèn)題，即這些傳感器缺乏整體的協(xié)同能力。試想一下，當某個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器中的數據處理能力已經(jīng)超過(guò)其最大的負荷，但由于傳感器系統由獨立的硬件和軟件組成，彼此之間難以無(wú)縫通信，甚至無(wú)法發(fā)起相關(guān)問(wèn)題的警報，管理人員無(wú)從得知自然也無(wú)法即時(shí)解決此類(lèi)問(wèn)題。傳感器將繼續超負荷工作，輕則任務(wù)失敗自動(dòng)停機，重則設備損毀數據丟失。

獨立元件構建的傳感器可能導致性能不佳

雖然此類(lèi)問(wèn)題很棘手，但并非無(wú)法解決，試想一下，當整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )被構建成一個(gè)統一的生態(tài)系統，從供電到數據采集再到數據傳輸，所有部分都實(shí)現協(xié)同工作之后，一旦某個(gè)處理器發(fā)生超負載的情況，系統完全可以將負載轉移到系統中負擔較輕的區域，繼而保證設備能一直正常工作，但這一切的前提必須是可靠的供電作為基礎。

微能管理模組/芯片解決電池續航難題

為了滿(mǎn)足不斷涌現的市場(chǎng)需求，一舉解決電池帶來(lái)的種種難題，飛英思特結合自研的先進(jìn)能量采集技術(shù)及微能量管理技術(shù)，推出了微能量管理模組和微能量管理芯片，為客戶(hù)帶來(lái)更穩定的數據采集傳輸和更低功耗的供電解決方案。

微能管理模組/芯片具備復合環(huán)境能量采集能力，通過(guò)采集環(huán)境中的微光能、射頻能、微動(dòng)能、溫差能（TEG）進(jìn)行發(fā)電，使得設備在使用過(guò)程中無(wú)需更換電池，條件滿(mǎn)足的前提下甚至還可以實(shí)現設備生命周期內的無(wú)電池永久續航，消除了維護設備和頻繁更換電池所帶來(lái)的高昂人力物力成本。

飛英思特能量采集技術(shù)

此外，憑借高度集成化的設計，飛英思特所提供的供電解決方案還大幅降低了后續的開(kāi)發(fā)難度，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師無(wú)需進(jìn)行繁重的集成工作，只需簡(jiǎn)單地將換能器插入微能管理模組/芯片，再將后端電路連接到輸出即可完成無(wú)源產(chǎn)品的原型設計，為企業(yè)快速搶占市場(chǎng)奪得先機。

通過(guò)這些技術(shù)優(yōu)勢，除了可解決電池供電的種種不足，飛英思特微能管理模組/芯片還極大拓寬了物聯(lián)網(wǎng)低功耗設備的應用領(lǐng)域，例如醫療身份卡、物品信息標簽等對體積、續航、效率要求更高的產(chǎn)品。

縱觀(guān)整個(gè)行業(yè)來(lái)看，電池的確極大束縛了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但作為全球領(lǐng)先的無(wú)源無(wú)線(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品提供商，飛英思特正努力通過(guò)創(chuàng )新的供電方案解決這一難題，期待最終讓各個(gè)行業(yè)的低功耗設備都能實(shí)現免維護免電池運行，并幫助降低物聯(lián)網(wǎng)電池對生態(tài)造成的破壞。