物聯網 (IoT) 電源設計始終是一項挑戰。由于物聯網設備大多部署在偏遠地區，頻繁更換電池并不總是可行的。設計人員必須找到替代方法來為它們提供便攜式電源。最小化功耗通常是圣杯；然而，它是通過權衡特性、連接性、范圍，甚至內置的安全功能（例如密碼學）來實現的。

盡管有低功耗連接選項（如 LoRa、LPWAN）、節能電路和電池設計改進，但大多數設備都超過了電池壽命。如果物聯網設備可以動態發電而不是僅僅依賴靜態電源會怎么樣？能量收集是即將實現這一目標的一個有前途的選擇。

探索物聯網的能量收集

部署在遠程位置的物聯網傳感器和設備的數量可以輕松擴展到數千個。頻繁上門更換電池不僅會影響利潤率和投資回報率曲線，而且還會面臨丟失數據的風險。

從周圍環境中吸取能量的能力在物聯網用例中受到高度重視。從陽光、運動、環境射頻、熱、風、振動等環境資源中收集能量并不是一個全新的概念。但是，對需要最少甚至不需要維護的節能、安全和耐用系統的需求不斷增長，這推動了它的需求。

根據 IDTechEx 研究，能量收集市場規模將從 2017 年的 4 億美元增長到 2024 年的 26 億美元。物聯網和無線傳感器網絡的日益普及與這些預測有關。

能量收集涉及換能器，將環境能源的能量轉換為電能，為電子設備供電。根據能源的不同，換能器技術可以是壓電、熱電、電磁、光伏、射頻等。

目前，光伏電池通常用于通過將太陽能轉化為電能來為玩具、小工具甚至家用電器供電。在 RFID 的情況下，直接針對傳感器的強本地信號會得到糾正。Powercast 的P2110 RF Powerharvester是另一個將低頻 RF 信號轉換為直流電（5.25V，高達 50mA）的例子。P2110 可用于設計無需電池的無線傳感器節點，這些節點可以在智能電網、樓宇自動化、軍事、農業等各種工業應用中以極低的射頻輸入 (-11.5dBm) 運行。

物聯網能量收集的前景和挑戰

能量收集的最大希望是延長物聯網電池壽命（如果不能完全省電的話）。在過去十年中，收集能量的技術取得了長足的進步。然而，安裝和集成的成本和復雜性障礙仍然存在，必須仔細考慮。與整體物聯網解決方案相比，它應該是合理的。

另一個考慮因素是機器對機器 (M2M) 通信中功率使用的差異。例如，農業傳感器可能會在一天中的不同時段突發性地發送/接收數據。除此之外，它大多處于閑置狀態，消耗的電量很少。發送突發數據時，功耗會激增。能量采集器需要在峰值負載電流（安培）和工作電壓要求（伏特）方面處理 M2M 能量突發要求。

物聯網成功案例的能量收集

盡管物聯網能量收集技術仍在世界各地的實驗室中孵化，但已經有一些令人鼓舞的成功案例。

Rectenna：麻省理工學院研究人員收集的 Wi-Fi 能量

Rectenna 是一種使用柔性天線捕獲交流電磁波（包括無處不在的 Wi-Fi 信號）并將其轉換為直流電的設備。天線連接到一個只有幾個原子厚度的二維半導體。當交流信號進入半導體時，會產生直流電壓，可用于為電子電路、PMIC 供電或為電池充電。

當暴露于典型的 Wi-Fi 功率水平（大約 150μW [微瓦]）時，在實驗室試驗期間，整流天線產生大約 40μW。轉換率相當好，功率足以驅動硅芯片組或點亮 LED。

太陽風混合收獲平臺

位于北京的國家納米科學技術中心 (NCNT) 的科學家們能夠設計一個平臺來收集太陽能和風能（圖 1）。它將摩擦納米發電機（將風能轉化為電能）與高效太陽能電池集成在一起。該組件經測試可在太陽能側產生 8mW 的功率，在風力收集器側產生高達 26mW 的功率，這意味著 120mm × 22mm × 2mm 平臺的高功率密度。

這種混合納米發電機主要設計為智能城市的可再生能源。但是，它也可以為嵌入式和物聯網設備供電。

圖 1：混合太陽能和風能收集電池的圖示。（來源：NCNT）

射頻能量收集器

E-peas 的 AEM40904是一款微型 (5mm × 5mm) PMIC，可從環境射頻源中提取交流電。升壓轉換器具有 94% 的效率，支持極低功耗啟動 (380mV/3μW) 和低 RF 輸入功率電平（?18.5dBm 至 10dBm）。

收集的能量可以同時為各種物聯網和嵌入式系統供電，并將多余的能量存儲在可充電電池和電容器中。系統設計人員可以在可穿戴設備、家庭自動化、工業監控等無線物聯網應用中探索此功能，以延長電池壽命。

最后的想法

能量收集系統 (EHS)正在推動收集能量和電池存儲之間的融合，而不一定是替代品。在系統設計中考慮 EHS 時，成本與價值是一個主要考慮因素。隨著 EHS 模塊的成熟，成本高昂的組件有望下滑。權衡用例要求也很重要，例如，工廠設備的電源管理與農業傳感器有很大不同。

一些 EHS 專家將光伏、環境射頻和振動視為“三大”收集選項，因為它們的成本相對較低且易于安裝。

電子設計應繼續關注低功耗。設計人員可以選擇能量收集來滿足特定物聯網用例的需求。當功率不是限制時，可以提供許多有吸引力的特性和安全功能。

Sravani Bhattacharjee 擔任數據通信技術專家已有 20 多年。她是《實用工業物聯網安全》一書的作者，這是第一本關于工業物聯網安全的書籍。直到 2014 年，作為思科的技術領導者，Sravani 領導了多個企業云/數據中心解決方案的架構規劃和產品路線圖。作為 Irecamedia.com 的負責人，Sravani 目前與工業物聯網創新者合作，通過制作各種編輯和技術營銷內容來推動意識和業務決策。Sravani 擁有電子工程碩士學位。她是 IEEE 物聯網分會的成員、作家和演講者。

審核編輯黃宇