能量收集技术加速物联网的采用

物联网的潜在应用每天都在不断扩大。由于超低功耗微控制器和基于网路边缘的机器学习等多项技术进步的综合促进，物联网应用的多样性也在扩展。低功耗广域网 (LPWAN) 的出现使传感器能够定期从远程位置传送数据，而无需任何电缆供电的电源。所有这些技术进步一起消除了智能农业物联网应用所面临的障碍，从而能够在远离电力线和没有Wi-Fi 连接的田地中部署电池供电的土壤湿度和 pH 传感器变得更加容易且成本更低。

无线物联网

在智能城市和智能农业应用中配置电池供电的物联网设备正在迅速普及，当然这只是众多物联网应用中的两个典型例子。但是，其中的电池容量决定了设备可以运行多长时间，并且完全取决于设备的功耗特性。与电池成本相比，更换电池带来的成本更高，尤其是在偏远地区，变得异常高昂。因此，电池寿命少于六个月通常是根本不可行的。

将传感器的微控制器和无线收发器尽可能长时间保持在深度睡眠模式能够延长电池寿命。此外，某些特定类型的物联网传感器占空比配置可能相对较低，例如，配置于土壤深层的湿度读数不太可能在 30 分钟内发生太大变化，因此每半小时读取一次数据也会产生合理的指示。每个周期，设备的微控制器都会唤醒，读取湿度传感器数据，并将数据打包以备传输。然后收发器需要启动到 LPWAN 的链接，并发送完整数据包。在确认收到后，收发器和微控制器都可以返回到睡眠模式。在链路建立和数据传输期间，设备的峰值功耗将显著高于几个 µA 的睡眠模式，甚至短时间内可能达到 100 mA。

认真地考虑电源管理技术可以节省电池容量，但最终，电池还是需要更换或充电。

能量收集技术

使用可充电电池是一个谨慎的选择，但如何保持充电呢？长期以来，使用太阳能电池板能够为户外设备充电，但这并不是从周围环境中获取能量的唯一方法。许多物联网传感器设备的低功耗特性意味着电池容量和浮充电（float charge）所需的能量并不十分大。电池容量也决定了其物理尺寸，因此保持较小的容量也有其他好处。产生毫瓦和微瓦能量的新能量收集技术已经证明是可行的替代方案。

太阳能：对于许多户外应用来说，太阳能已经被广泛用作一种优秀的能源，它还为室内环境光采集提供了机会。在室内，收集的能量高度依赖于可用的光源、环境温度和所处位置。因此，与室外太阳能电池板相比，室内收集的能量更难预测，而且要少得多。

机械振动：许多研究论文报道了从机械运动中获取的不同类型能量。这种机械运动可能偶尔会发生，例如人们在桥上行走，或者有规律地发生，例如电机外壳的自然振动。能量传感器包括集成压电元件，能够将振动转换为电能，以及线圈通过磁场时导致的电磁效应。另一种方法则使用基于电容感应的静电方法。压电和电磁方法似乎最可行。

风能和水力：这些方法采用动能从风力或水流转换成电能。在这两种情况下，小型涡轮机都可以产生电能。对于这种能量收获方法，以及风力涡轮机旋转叶片的安全性，尺寸是一个重要的考虑因素。然而，尽管有实际限制，收集的能量对于小型物联网传感器来说已经绰绰有余。

热电技术：以这种方式产生的电能利用的是塞贝克效应（Seebeck effect）原理，其中利用两个半导体材料绝缘板之间的温差来发电。可以将多个热电模块组合在一起以充分利用物联网设备空间限制允许的温差。温差越大，产生的能量就越多；但是，根据具体应用的差异，实现这一点可能存在一些实际困难

无线电频率：利用电磁射频收集能量是一个相对较新的概念。随着当今无线数据和语音连接的扩展以及越来越多地面广播电台和电视台的出现，在广泛的无线电频谱内收集能量似乎非常有吸引力。可收集的功率取决于位置、频率和合适的信号，但专业的半导体供应商正在利用已经可用的 IC 开拓该市场，从 ISM、Wi-Fi 和蜂窝频率进行能量收集的研究正在取得一些可喜成果。

收集我们周围的能量

基于物联网的应用未来将展现出几乎无限的发展机会，而提供可靠的电源仍然是当务之急。使用可充电电池为设备供电，并通过从环境能源中收集能量可提供一种实用的解决方案。对于某些应用，电池可能会被超级电容器补充甚至取代，而与电池相结合的超级电容器可以满足无线数据链路启动和数据交换期间经常出现的峰值能量需求。一些半导体供应商已经拥有一系列高效电源管理和 DC/DC 转换器 IC，这些 IC能够针对太阳能、压电和热电偶等多种能量来源的收集进行优化。