基于微能量采集技术的无源物联网研究与应用

在现代社会，智能化已经成为一种趋势，无线智能物联网已在各行业部署，其连接规模高速增长。在过去的3 年中，2020 年物联网连接数达到113 亿，直至2022 年增加到160 亿，预计在2025 年连接数将突破270 亿。然而，无线物联网生态为用户提供了极大便利的同时，大规模场景部署仍然受到环境、成本、节能环保等因素限制，传统供电方式已无法满足需求。

1 无线物联网背景

1.1 物联网通讯背景

自2010 至今，无线物联网核心研究除了提高更高效的通讯方式，扩大更广泛的部署领域外，降低终端节点的功耗也成为重要的一环，各通信组织、机构也为此陆续创新科技并提出相关标准。全球通讯标准化组织(3GPP) 提出了LTE CAT 1、LTE CATM、NB-IoT 标准，引入RedCap( 缩减能力终端) 成功降低了接入5G 网络的物联网终端功耗。LoRa 联盟在LoRaWAN 协议中规定ClassA/B/C 三类终端设备类型支持所有低功耗设备进行快速场景部署。Wi-Fi、蓝牙协会也推出低功耗技术来支持物联网发展，满足设备之间“一对一”、“一对多”和“多对多”的相互通讯。

1.2 物联网市场痛点

目前，众多无线通讯设备的终端节点依旧通过电池或电源线供给能量( 电能)，而这类供能方式在不同场景部署下暴露出的弊端制约了物联网向着更广阔的领域发展。

1.2.1 “双碳政策”的要求

双碳政策，是碳达峰与碳中和的简称，国家希望在2030 年实现碳达峰，随后在2060 年实现碳中和。可是，假设一个物理网设备需配备两块供能电池使用，那么百亿级的设备将消耗两倍百亿级的电池。当能源耗尽后，电池的遗留和降解会对环境带来巨大负担和不可逆的污染。因此，为了响应低碳政策实行，可持续、可再生的能源技术开发是推动物理网生态建设的重要支撑。

1.2.2 极端环境部署受限

无线传感网络的部署越来越广泛，但一部分应用场景往往无法支持接线供电或更换电池，主要包括两类环境：一是人们不长期活动的产所，如森林、山丘、沙漠等。二是恶劣的工作环境，如高空、高温、高辐射作业和监测的环境。这些场所地域广且人迹罕至，无线设备若采用电池供电，能源耗尽后对其补充能量的成本极高。

1.2.3 极低成本限制

随着低功耗广域网络(LPWAN) 的快速发展，相关模组成本已经大幅降低，可是进一步下降的空间有限。在实践中，如物流追踪，当低价值物品有大量的连接需求，往往需要海量的终端，这就需要传感器和通讯模组使用最低的成本实现最精准的通讯性能，最保守的方式则是通过减少器件实现成本缩减，电源部分成为了主要取舍对象。

1.2.4 终端尺寸限制

在很多场景中，如智慧仓库、智慧农业、智慧城市、智慧穿戴等，终端尺寸也是制约应用部署的因素。随着智慧产品变得越来越轻薄、小巧，对于供能模组的尺寸设计也变得越来越苛刻。现市场中部分电子价签方案商开始布局，类似这一类尺寸小、厚度薄的信息载体产品已无多余空间放下常规电源模组，能够自行持续供能的方案便成为了唯一解决方案。

总的来说，面对综上所述的痛点，智能设备满足免维护、低功耗、低成本、小尺寸的需求是现阶段无线物理网生态建设中的研发目标之一，这也是无源物理网生态出现的重大意义。

2 无源物联网方案

2.1 微能量采集

无源物理网主要是通过微能量采集技术、能量管理系统、低功耗计算模组3 个核心技术部分实现。首先，自然环境中存在着很多能量来源，如光能、热能、振动能、射频等，微能量采集技术就是通过将采集这些微小能量并将其转化为电能的技术。

2.1.1 环境光能采集

运用半导体的光电效应，光伏板从太阳光或环境光取得能源，当电子吸收的能量足够大时就能克服吸引力从金属表面逃离形成光电子，金属外层不同数量的电子使金属形成P 型和N 型半导体，二者接触面形成的电势差产生电能。

2.1.2 热能采集

运用热电材料的塞贝克效应，使不同导电体或半导体构成闭合电路，当两导体结合处温度不同会出现“冷热温差”时，此时回路中产生的电势差使热能转换成电能。

2.1.3 振动能采集

振动能又可定义为机械能，静电、压电、和电磁效应都可以将机械能转化为电能。当移动设备在工作中产生轻微的振动时，压电材料可以将这种微能量采集并转化为电能。

2.1.4 射频能采集

将包围在设备周围的射频信号作为能量来源，通过电磁感应实现对空间射频能量的采集并将其转换成电能。

2.2 电源管理

在微能量采集技术实现中，能量微弱和随机性明显，尤其大部分情况下属于微瓦级供能，因此除能量采集外，还需电源管理和能量储存部分对这些微弱能量进行有效管理。其中，能量储存部分可直接为负载供能，也可以被储到能量存储单元中供将来使用。最后，电源管理部分由稳压器形成，根据系统的要求稳定电压，并针对载体所需电压进行转换与分配。

2.3 低功耗通讯

为了实现无线设备间的通讯，现有组网方式主要为，ZigBee、Thread、Wi-Fi 和BLEMesh， 其中BluetoothSIG组织发布了蓝牙Mesh标准可使网络中的各个节点之间相互通讯。

SIG Mesh网络由Mesh网络中的控制端和节点设备组成，其广播的实现步骤是：由设备A 广播消息出去，当节点设备B 收到设备A 的消息后再把设备A 的消息广播出去，直到让有在无线范围内的设备都收到此消息。相比于其他物理网组网方式( 见表1)，SIG Mesh 具备低功耗、低成本的优势，同时还满足：

1）网络中某个节点出故障时，整个网络依旧可保持正常通信，加入和脱离设置自由，具有组网方便，抗干扰的能力强；

2）所有节点都一致、平等，避免了节点连接中心点困难的情况；

3）所有节点都可以操作平台，适合智能设备部署的各种场景；

4）可以信息加密，保证传输信息安全。

表1 现有组网方式对比

综上所述，在无源物联网设备中采用低功耗蓝牙Mesh通讯既实现对多个终端节点的把控需求，又能在微能量采集技术供给微瓦级的环境下工作。

3 实际应用——双“无”智能开关

3.1 整体系统分析

在此设计中，微能量采集技术方案采用的是e-peas的AEM10941 方案。如图1 所示，采用光伏板采集微光能量，此时AEM10941 便能够从光伏板( 连接SRC)获取能源充电存储元件( 电池、超级电容，连接到BATT)，同时在设定的电容电压区间范围内，通过两个LDO 稳压器(LVOUT 和HVOUT) 为低功耗蓝牙模组提供电源。

图1 系统框图

在第1 次启动时，一旦来自光伏板的输入电压达到所需的冷启动电压380 mV，并且有3 μW 微弱功率可用，AEM10941 就会进行冷启动。在冷启动后，输入50 mV和5 V 电压便可使模组提取存储元件的可用能量，冷启动的最小电压可通过添加电阻来设置。当电池电压耗尽，LDO 稳压器将被断电，控制器将不再由存储元件供电以保护它免受进一步放电的影响。另外，如果存储元件耗尽并且在PRIM 上连接了一个可选的主电池，芯片会自动将其用作重新充电存储元件的能源，然后再切换回环境能源，这确保在最恶劣的条件下保持持续运行。此方案可有效的从环境中收集能量并转换为稳定的电压输出，整个过程的功能转换效率可达 90% 以上。

另一方面，低功耗蓝牙通讯方案采用的是凌思微的LE5010 方案。LE5010 是一款高性能的低功耗BLESoC，它同时支持蓝牙5.0 全协议栈、SIG Mesh 和私有Mesh。在32 bit MCU 内核、64 kB SRAM 和RTC 的超低功耗设计下待机电流低至1.1 μA。最新无线自组网的SIG Mesh 标准采用Flooding 中断机制扩大了信号覆盖围和网络容量，使得大量节点在更广泛区域中进行互联。

如图2 所示，蓝牙Mesh 的发布/ 订阅消息系统类似于微信的公众号订阅模式，可以简化设备之间的关系并降低耦合度。通过发布/ 订阅模式，开关作为发布者可以发送控制消息给所有订阅了该消息的灯，而不需要具体指定要控制哪些灯。同时，灯作为订阅者只需关注自己感兴趣的消息，而不需要知道是哪个开关控制它。这种解耦方式简化了设备之间的关系，减少连接信息的维护，简化网络管理和维护的工作。这种系统还支持灵活的消息传递和响应机制，并提高了系统的可扩展性和灵活性。

图2 Ble Mesh发布与订阅

3.2 设计可行性分析

预估一天总共使用蓝牙模组20 次，每次0.3 s，模组正常工作发射一次的功耗为1.2 mA，总共需要耗能2 μAh；蓝牙模组进入浅睡眠后的功耗为0.04 mA，白天16 h 总共需要耗能640 μAh；蓝牙模组进入深睡眠后的功耗为0.4 μA，夜晚8 h 总共需要耗能32 μAh。因此，1 d24 h 小时低功耗蓝牙模组总需要耗能6452 μAh。

预估光伏板在白天500 lux 的可见光照条件下采集16小时能够收集944 μAh 的能量，并在夜晚200 lux 的可见光照条件采集8 h 能够收集248 μAh 的能量，总能量1.192 mAh 为可满足负载蓝牙模组工作。

4 结束语

总的来说，本文讨论了微能量采集技术节能环保、延长设备寿命、降低成本，提高了部署灵活性和自主性；低功耗蓝牙通讯技术支持设备间互联互通，提高了使用的便利性。未来，随着对无源物理网深入研究，此技术将为物联网的发展和应用带来更多的可能性和优势。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年8月期）