无源物联网走入风口，能量收集能取代传统电池吗？
能量采集在物联网方面具备潜力，可以降低甚至无需依赖电池供电。这种优势对那些电池更换困难的设备，包括牲畜监测装置、智慧建筑以及偏远地区的监控设备，显得尤为实用。同时，它也适用于可穿戴电子装置和货物运输追踪等场景。然而，现阶段这项技术尚未得到广泛应用。
这得益于供给端和功率规模有限且时常不稳定。同时，将环境能量转化为所需电力的优化方案，或许会导致费用过于昂贵。倘若运作要求持续供电，那么能量蓄积便成了一项值得探究的途径。
对比采用纽扣电池的智能物联网设备与运用能量收集技术的传感器，可以发现前者在构造上更为简便。尽管采用纽扣电池的方案无需配备额外的能量采集系统，不过它必须在特定时刻进行电池更换。
依照推算，多数物联网设备预计其供电装置能使用数年乃至二十年以上。不过，此类估算往往忽略了电芯渗漏与耗尽的问题。同工业用物联网电池相比，民用微型电池的耐用性与稳定性要差很多。这就说明了工业电池造价远超普通电池的原因，也突显了能量收集的优势，这种优势能够降低对电池的依赖，或者让设备在运行期间自动补充电量。
能量采集领域持续进步，西门子数字工业软件公司产品工程负责人John Stabenow这样表示。物联网应用日益广泛，有力推动了无源物联网产品的应用。其好处十分突出，无需定期更换成千上万节电池，经济效益显著。物联网传感器正朝着智能、微型化、极低能耗的方向快速演进。借助系统构建的模型和仿真，能够为智能传感器的研制确定最优的电量分配和线路规划。由此，还可以对能量采集的方法进行优化，以便符合特定的动力指标。
最理想的场景是运用高效的能量收集技术，为功耗极低的设备供电，从而保障其长期稳定运行。要准确分析这一需求，需要了解不同能源的供应能力，同时也要评估各类设备对能量的具体消耗情况，以下列举了一些参考数据。
提高能量转换效率
太阳能是当前主要的能源类型，不过，将太阳能转化为电力的电池板效能不高，这也是太阳能板需要做得很大的原因。太阳光借助光伏半导体材料能够转变为电能。许多光伏电池组合在一起构成了一个模块或者面板。借助最大功率点技术，转换光伏模块时能获得最佳效能。
充电期间，MPPT技术会对比光伏发电量与电池电势，据此确定最优充电参数，这种技术方案在低温环境或电池电量不足时展现出最佳效能。
在能量获取方面，太阳能属于一类可以持续利用的资源，英飞凌科技的首席应用工程师Kasra Khazraei这样说明。太阳能装置包含两个核心部分，即太阳能板和电力电子设备。目前多数太阳能板的效能低于20%，通常在17%到18%之间。为了显著提高效能，太阳能电池的物理学研究必须取得进展。因此众多工作都致力于增强电力电子电路的性能，目的是为了提升太阳能装置的总能量获取量。
ADI公司研制出一种超小尺寸封装件，规格为1.63毫米乘以1.23毫米，该装置能够从单个太阳能电池获取能量。通过运用这种技术，该公司宣称已经实现了85%到90%的效能，几乎能让太阳能电池板所收集到的所有能量都得到有效利用。
对于超低能耗场景，比如车辆监测装置、牲口追踪系统、现代农业生产、城市智能化管理以及便携式电子装置等，能量采集装置的优化构造对微功耗环境有着极为严格的规范，需要达到微瓦级别，同时光伏电池的启动电势应低于五百毫伏，而热电转换器的启动电势则需控制在百毫伏以下综合来看，MPPT内置技术方案确有益处，它能够充分从两个能源点获取能量，意法半导体技术宣发团队负责人Alessandro Nicosia持此观点。另外，必须采用性能优越的电路板布局方案，用以防御电磁杂波及外界扰动的影响，此类影响或会引致电池充放电临界值的误动作，同时未受防护的内部线路在待机状态下，以及电池与负载供电的稳定性都可能遭受破坏。
射频能量收集的工程师们也在探索能量高效转换的途径，这种途径对于无需电池的消费品以及电子设备的无线供电等领域具有普适性，其中一个潜在的射频能量创新应用体现在Powercast公司所推出的零售电子货架标签方案上
过去，职员常在超市或商场调整价签，然而价格变动频繁，尤其在打折期间，导致价签需不断更新。为减轻工作负担，人们尝试过多种方法，例如采用无线价签。不过无线价签有个不足之处，每个标签都配备电池驱动的无线接收设备，且这些电池需每隔数年更换一次。长距离无线射频识别标签是Powercast的构想方案，某知名连锁零售机构近期启动了店内货物盘点自动化进程，通过部署自动设备来执行这项任务，这些设备经过设定可利用射频信号检测无源RFID价格标签，以此实现价签信息的更新，标签上呈现的当前价格状态会持续稳定，直至再次被扫描识别。RFID价格标签里用到的Powercast RF-to-DC转换器体积是1毫米长、0.6毫米宽、0.3毫米高，能够接收的频率范围从10兆赫兹到6吉赫兹，转换能源的利用率达到了百分之七十五。
图2：射频能量采集功能涵盖将射频信号转为直流电以及电压监测（图源：Powercast）
不同频率源的功率存在差异。所以，把射频能量转变为直流电的器件必须具备高转换率，最好能达到七成到八成之间。天线构造对提升能量汲取效能具有关键作用，Powercast公司技术主管Charles Greene指出，同时，设备同能源供应（诸如Wi-Fi接入点）的间隔大小，因能量强度随距离增加而减弱的原理而变得十分关键，无线游戏手柄的输出功率较高，必须确保其与供电源相隔不超过一英尺的距离键盘的电能耗用很低，能够维持与供给源相距六尺的距离。物联网设备可在十尺范围内正常运作。
降低系统功耗
能量收集确有意义，不过它对低功耗设计的优势毫无影响，特别是在边缘应用场景。“这始终是追求以最少的耗电量获得最强的计算性能，”瑞萨电子美国公司执行副总裁Saileesh Chittipeddi这样强调。“新系统里，功率利用率和能量消耗问题日益受到关注。这促使策略发生改变，特别是在工业方面。”
能量获取促进了这种变化，基础的办法往往比高深的方法更有利。比如，十六位微控制器的耗电量小于三十二位微控制器。同样，四位微控制器的能耗比八位微控制器要少。适当地缩小设计规模，能够使得最初产生的能量更少些。
当前，众多半导体企业正致力于研制工作于纳瓦级别的极低功耗微控制器单元。部分此类微控制器单元可在1.8伏电压下运行kaiyun官方网站登录入口，其运行状态下每兆赫兹仅需150微安电流，而待机状态下仅需10纳安电流。倘若要维持存储器中的数据，待机状态下的电流会在2微秒的唤醒时段内增至50纳安。这一发展方向对于能量采集技术的进步极具推动作用。
过去，能量收集系统开发者往往只分析其装置的发电量与耗能情况，接着挑选容积足够的能量采集单元和蓄存装置来确保正常运作，Arm工程师James Myers表示，这种做法确实可行，不过由此导致这些装置普遍体积庞大且成本高昂。当前的设计思路开始关注系统部署规模或经济性考量，由此对功耗和能源分配提出了明确要求，整体架构必须据此进行规划。好在市面上已有丰富的节能型元器件可供选择，倘若这些产品无法满足特定条件开yun体育app官网网页登录入口，亦可着手打造专属的片上系统，其功能配置能够依据实际需求进行定制。这类芯片特别适用于该领域，由于它们能够对高耗能操作进行精明调配，包括无线通讯、驱动装置以及非易失性存储器等。它们甚至还能应对无存储收集系统中断供电的情况。
开放的无线电标准
国际电工委员会制定了若干规范，旨在应对涉及振动、温度及电磁效应的半导体装置在能量获取与转换方面的挑战。这些规范同时涵盖了检测与评定手段，具体规定了柔性热敏元件的测试流程，并明确了线性滑动状态下的摩擦电能量获取方式。
此外，EnOcean联盟包含500名成员，属于非盈利性质的组织，致力于推广ISO/IEC 14543-3-10（该标准被称为ASK，在欧洲地区实施）以及14543-3-11（该标准被称为FSK，在北美洲和日本地区实施）。它是一种开放式的协调无线电规范，主要用来界定无线电参数（对应OSI模型中的物理层1）。该规范特别针对能够自主供能的无线设备进行了优化设计。
EnOcean联盟自成体系，不受EnOcean公司控制。联盟初始阶段有七家机构参与，分别是BSC Computer GmbH、Eltako、EnOcean GmbH、NIFCO Inc.、IBM、Microsoft以及T-Systems Multimedia Solutions。该全球组织的成员制定了一项无需维护且可互通的规范标准，里面设有针对家庭智能、建筑智能及空间智能等用途的认证体系。
能量收集技术持续创新
能量采集领域进步不断加快，众多厂商如ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、瑞萨电子、意法半导体以及德州仪器纷纷推出更多芯片方案，借助人工智能手段，器件体积得以缩小，重量减轻，功能增强，能耗也显著降低。能量采集方法持续进步，逐步变为现实应用，今后的潜力将取决于人的思维空间。
近些年，电力电子系统效率提升促使了宽带隙器件的诸多研发投入，这是英飞凌Khazraei的观点。未来五年到十年期间，由氮化镓和碳化硅打造的前沿宽带隙器件将革新可再生能源装置。这类器件具备极高的频率功率密度，并且能实现卓越的效能设计。电路尺寸显著减小将降低安装和维护太阳能系统的成本。”
近期，华盛顿大学通过一段影像资料，呈现了一种体态纤巧、能耗极低的类似蒲公英构造的感应装置，该装置悬浮于空中，负责收集温度与湿度的数据。依据该校助理教授Vikram Lyer的陈述，这种微型装置的电力消耗幅度很大，从微不足道的几微瓦，一直攀升至超过10微瓦的范围，其具体数值与数据采集的频率直接关联。它从太阳获取能量，移动速度为每秒0.87米，对于重30毫克且传感器重1毫克的装置，能在微风条件下传送50到100米，安全垂直降落的可能性大约是95%。这种装置或许能用于监控干旱地区林地发生火情。目前这所大学正致力于开展更深入的研究，目的是拓展传感器的操控范围和实际用途。
欧洲研究委员会拨款150万欧元给德国开姆尼茨理工大学，支持其研制全球最小电池，即智能尘埃电池。根据以往电池研究基础，研究团队确立了具体目标，计划打造一种电池，能为每平方厘米区域供应100微瓦能量，这种电池将适用于超微型计算机和电子设备。一旦这个技术得以实现，便能够应用于未来的物联网装置，此类装置需要借助能量采集来补充电量。
能源获取方法会不断进步，EnOcean的负责人Oliver Sczesny谈到，老牌企业及新兴公司都会贡献出新的构思和突破。太阳能与热能的汲取对可压印、可弯曲的能源采集薄膜材料进行了深入探究。在太阳能汲取方面，相关装置的原型已经面市，并且着手进行批量制造。这类装置的用途涵盖了为微型感应器提供动力，以及执行更大范围的能量采集活动。
其他技术构思亦在研制中，比如无需电池的无线身体传感器网络，借助贴身衣物监测佩戴者的健康状态，还有用于探查病人易损部位的无线软性感应装置，业界正逐步探索新路径，诸如从电路的瞬时能量中获取，预计科研单位、前沿科技企业及新兴公司将不断献出能量汲取的新方案。
计算系统借助1和0来记录信息，二进制数据的内容常以电荷状态储存在CMOS芯片内部，Metis Microsystems的创始人兼首席执行官Azeez Bhavnagarwala这样说明，一个“1”在电路节点上的体现方式是，把电荷从芯片的公共网络搬运到该节点，让它的电位升至芯片的供电电压水平电路节点上的‘0’借助释放其承载的电荷来体现，使该节点的电势降至芯片的基准地电平。不论哪种情形，这些用于记录信息的电路节点均可充当静电能量的提供方或汲取方，如同节点上的“硅电池”一般。此类硅电池能够作为芯片内部的能源，为存储单元和运算单元供应部分电力。
这是一个关键的变化。基于CMO的静态存储器电路IP，包括6T SRAM、8T寄存器文件、CAM以及数字CIM阵列，已被研制出来用于采集瞬时的芯片数据，进而使CMOS元件的能耗滞后提升一个数量级。Bhavnagarwala指出。这种进步无需调整工作电压或CMOS工艺即可实现。采集芯片上的瞬时信息也能改善其他性能参数，比如显著影响MOS元件差异时信号启动的不可预测性。不同于从外界环境获取电力的常规方法，信息采集方案和电子线路无需局限于低能耗场景，诸如监测器或感知系统。从边缘区域能源不足的装置到中心运算单元和网络设备kaiyun全站app登录入口，这些装置能为各类处理单元供应能量。
