四大能量收集技術助力突破物聯網設備供電困境
發布時間：2021-11-18 11:45
發布者：eechina
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作者：Atmosic 首席執行官 David Su 長期以來，物聯網所形成的巨大市場和數以十億計的龐大設備數量已經逐漸為人們所熟知。同時，可移動的物聯網設備正在變得越來越多，有線電源也并非長久之計。隨著物聯網市場的持續蓬勃增長，設備的供能方式、電池問題正在成為新的挑戰。 試想一下，假設我們擁有10億臺物聯網設備，每臺設備的電池壽命達到3年，這就意味著平均每天需要更換近100萬個電池，帶來成本壓力、環境危害等諸多問題。那么有沒有什么新的供能方式，可以紓緩這一現象？ 
通過本文，您將了解到太陽能、機械能、熱能、射頻的能量收集技術，以及對應方案下現有的一些應用，為物聯網設備供能問題提供可靠參考。 “眾所周知”的太陽能收集 有光的地方就有能量，光伏能量（太陽能）正在得到廣泛應用。同時，很多光伏技術不斷取得進展，如大型太陽能光伏板，還有在計算器等產品中使用的小型光伏電池。 此外，有機太陽能電池技術也有望在未來實現商用，提供同等甚至更佳的性能。部分新材料還具備柔性基板、可定制形狀等特性，能夠定制印刷到柔性塑料或其他材料上，以便在現有工業設計上添加新的光伏組件。 通過太陽能收集到的能量多少與光照強度、光伏材料等多種因素有關。不同技術在不同光照水平下從單位面積收集到的能量值是不同的，材料的價格也有差異。因此，光伏能量的收集需要考慮所處的光線環境、可用面積、預算限制等。 “歷史悠久”的機械能量收集 小型計算器是人們非常熟悉的一種電子產品，但鮮為人知的是，早在100年前，當時的“計算器”——加法機，就已經開始依靠機械能量收集進行運轉。 在機械能量收集中，我們通過機械運動使磁極在線圈中移動，形成能量爆發，繼而捕捉這些能量，用于無線傳輸等。借助以運動來收集和釋放能量的機制，我們可以使能量隨產隨用，而不是儲存在電池中。 不過機械能量收集必須擁有對應的收集元件。一個元件往往需要3平方厘米大小，高度可以少于1厘米。如何整合元件以滿足設備的能量需求，這是我們需要充分考慮的。 “略顯陌生”的熱能收集 熱能收集可能是人們不太熟悉的一項技術。在熱電設備中，當不同的溫度并排放置時，電壓隨之產生。利用這種溫差轉化成的電壓，我們可以實現對熱能的收集。 具體到溫差發電器中，我們給發電器的一端加熱，另一端保持低溫，從而使電路中出現電勢差；再借助升壓電路升高電壓，滿足集成電路的運行需求。通過這個原理，Atmosic和一家公司合作開發研發了一款熱能收集腕表，能夠僅靠收集手腕的熱量，完全自主支持基本的手表功能。 需要注意的是，熱能收集中我們不僅需要熱源，還需要散熱器來制造溫差。因為熱量必須在設備中不斷流動，才能產生持續的電流和能量來源。 “因地制宜”的射頻能量收集 對于100%占空比的射頻源，可獲得的最大理論功率隨著移動距離增大快速下降。當移動距離超過一米時，在2.4千兆赫的情況下，即使是可獲得的原始能量也小于100微瓦，另外還需考慮收集器和儲存器的效率。而頻段切換到915兆赫時，設備可獲得較高的功率收集水平，可以在兩三米、甚至五六米外收集能量。 與其他能量收集方式不同的是，射頻能量收集還需要考慮各地區的通信法規限制，包括可用頻率、最大輸出功率等，這些限制切實影響著可收集到能量的大小。例如歐洲這方面的限制要比北美、日本更加嚴格，以至于通常只能獲得比平時更低10db的能量。 作為全球超低功耗物聯網（IoT）無線技術的創新者，Atmosic研發了超低功耗射頻、射頻喚醒和受控能量收集三大創新技術，以實現最低功耗，并徹底降低物聯網應用對電池的依賴。例如我們可以在安全標簽中應用射頻喚醒技術，使其只有在靠近讀卡器時才會激活。通過射頻的識別喚醒，還可允許設備僅在需要進行能量收集的時候運行；或者依靠將設備放入特制的盒子、或者靠近信號源的方式，讓設備在不運行的時候充電。 當然，能量收集并非一種“全有或全無”的技術路線。我們仍然可以將電池技術與能量收集技術結合起來，通過電源管理單元優先使用收集到的能量，持續優化能耗，大幅度延長電池的使用壽命；也可以在某些情況下只使用收集到的能量，完全擺脫對電池的依賴。 Atmosic設計有一款專注于能量收集應用的超低功率藍牙5.0芯片，具備很多有助降低能耗的特性，比如獨立而靈活的喚醒接收器，能夠讓芯片僅在接收到特定射頻訊號時喚醒，從而保持低能耗；以及集成電源管理單元，能夠收集和管理多種能量輸入，甚至在特定條件下實現電池的“永久”使用。 最后，Atmosic提供的受控能量收集技術為物聯網和其他設備的電池、成本問題提供了多種解決方案，可選的能量收集技術種類很多，但它們也并非萬能。我們仍然需要深刻理解所處的環境和具體的應用，結合預算、目標等維度，根據條件選擇最合適的解決方案。 |
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