能量收集是新兴的物联网推动者

物联网 (IoT) 电源设计始终是一项挑战。由于物联网设备大多部署在偏远地区，频繁更换电池并不总是可行的。设计人员必须找到替代方法来为它们提供便携式电源。最小化功耗通常是圣杯；然而，它是通过权衡特性、连接性、范围，甚至内置的安全功能（例如密码学）来实现的。

尽管有低功耗连接选项（如 LoRa、LPWAN）、节能电路和电池设计改进，但大多数设备都超过了电池寿命。如果物联网设备可以动态发电而不是仅仅依赖静态电源会怎么样？能量收集是即将实现这一目标的一个有前途的选择。

探索物联网的能量收集

部署在远程位置的物联网传感器和设备的数量可以轻松扩展到数千个。频繁上门更换电池不仅会影响利润率和投资回报率曲线，而且还会面临丢失数据的风险。

从周围环境中吸取能量的能力在物联网用例中受到高度重视。从阳光、运动、环境射频、热、风、振动等环境资源中收集能量并不是一个全新的概念。但是，对需要最少甚至不需要维护的节能、安全和耐用系统的需求不断增长，这推动了它的需求。

根据 IDTechEx 研究，能量收集市场规模将从 2017 年的 4 亿美元增长到 2024 年的 26 亿美元。物联网和无线传感器网络的日益普及与这些预测有关。

能量收集涉及换能器，将环境能源的能量转换为电能，为电子设备供电。根据能源的不同，换能器技术可以是压电、热电、电磁、光伏、射频等。    

目前，光伏电池通常用于通过将太阳能转化为电能来为玩具、小工具甚至家用电器供电。在 RFID 的情况下，直接针对传感器的强本地信号会得到纠正。Powercast 的P2110 RF Powerharvester是另一个将低频 RF 信号转换为直流电（5.25V，高达 50mA）的例子。P2110 可用于设计无需电池的无线传感器节点，这些节点可以在智能电网、楼宇自动化、军事、农业等各种工业应用中以极低的射频输入 (-11.5dBm) 运行。

物联网能量收集的前景和挑战

能量收集的最大希望是延长物联网电池寿命（如果不能完全省电的话）。在过去十年中，收集能量的技术取得了长足的进步。然而，安装和集成的成本和复杂性障碍仍然存在，必须仔细考虑。与整体物联网解决方案相比，它应该是合理的。  

另一个考虑因素是机器对机器 (M2M) 通信中功率使用的差异。例如，农业传感器可能会在一天中的不同时段突发性地发送/接收数据。除此之外，它大多处于闲置状态，消耗的电量很少。发送突发数据时，功耗会激增。能量采集器需要在峰值负载电流（安培）和工作电压要求（伏特）方面处理 M2M 能量突发要求。

物联网成功案例的能量收集

尽管物联网能量收集技术仍在世界各地的实验室中孵化，但已经有一些令人鼓舞的成功案例。

Rectenna：麻省理工学院研究人员收集的 Wi-Fi 能量

Rectenna 是一种使用柔性天线捕获交流电磁波（包括无处不在的 Wi-Fi 信号）并将其转换为直流电的设备。天线连接到一个只有几个原子厚度的二维半导体。当交流信号进入半导体时，会产生直流电压，可用于为电子电路、PMIC 供电或为电池充电。

当暴露于典型的 Wi-Fi 功率水平（大约 150µW [微瓦]）时，在实验室试验期间，整流天线产生大约 40µW。转换率相当好，功率足以驱动硅芯片组或点亮 LED。

太阳风混合收获平台

位于北京的国家纳米科学技术中心 (NCNT) 的科学家们能够设计一个平台来收集太阳能和风能（图 1）。它将摩擦纳米发电机（将风能转化为电能）与高效太阳能电池集成在一起。该组件经测试可在太阳能侧产生 8mW 的功率，在风力收集器侧产生高达 26mW 的功率，这意味着 120mm × 22mm × 2mm 平台的高功率密度。

这种混合纳米发电机主要设计为智能城市的可再生能源。但是，它也可以为嵌入式和物联网设备供电。

图 1：混合太阳能和风能收集电池的图示。（来源：NCNT）

射频能量收集器

E-peas 的 AEM40904是一款微型 (5mm × 5mm) PMIC，可从环境射频源中提取交流电。升压转换器具有 94% 的效率，支持极低功耗启动 (380mV/3µW) 和低 RF 输入功率电平（−18.5dBm 至 10dBm）。

收集的能量可以同时为各种物联网和嵌入式系统供电，并将多余的能量存储在可充电电池和电容器中。系统设计人员可以在可穿戴设备、家庭自动化、工业监控等无线物联网应用中探索此功能，以延长电池寿命。

最后的想法

能量收集系统 (EHS)正在推动收集能量和电池存储之间的融合，而不一定是替代品。在系统设计中考虑 EHS 时，成本与价值是一个主要考虑因素。随着 EHS 模块的成熟，成本高昂的组件有望下滑。权衡用例要求也很重要，例如，工厂设备的电源管理与农业传感器有很大不同。

一些 EHS 专家将光伏、环境射频和振动视为“三大”收集选项，因为它们的成本相对较低且易于安装。

电子设计应继续关注低功耗。设计人员可以选择能量收集来满足特定物联网用例的需求。当功率不是限制时，可以提供许多有吸引力的特性和安全功能。

Sravani Bhattacharjee 担任数据通信技术专家已有 20 多年。她是《实用工业物联网安全》一书的作者，这是第一本关于工业物联网安全的书籍。直到 2014 年，作为思科的技术领导者，Sravani 领导了多个企业云/数据中心解决方案的架构规划和产品路线图。作为 Irecamedia.com 的负责人，Sravani 目前与工业物联网创新者合作，通过制作各种编辑和技术营销内容来推动意识和业务决策。Sravani 拥有电子工程硕士学位。她是 IEEE 物联网分会的成员、作家和演讲者。

 

审核编辑 黄宇