【導讀】物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和機器對機器（M2M）設備在我們日常生活中的應用越來(lái)越廣泛。通過(guò)在各種日常物品中安裝的傳感器，我們可以收集和分析各種類(lèi)型的數據，還可以遠程控制設備或在沒(méi)有人為干預的情況下操控它們。這些智能設備在極大地改善人們的工作和生活質(zhì)量的同時(shí)，也帶動(dòng)著(zhù)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)的發(fā)展。
全球著(zhù)名分析機構Markets and Markets的研究數據表明，2021年，全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的收入規模高達3,003億美元，接下來(lái)還將以16.7%的復合年增長(cháng)率（CAGR）快速增長(cháng)，預計到2026年將攀升至6,505億美元。
推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展的因素有多方面，包括使用成本的不斷降低，低功耗傳感技術(shù)、高速連接技術(shù)和邊緣計算等創(chuàng )新技術(shù)的持續應用等。全球大量的智慧城市計劃得以實(shí)施，也為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)提供了有利可圖的發(fā)展機會(huì )。為此，Fortune Business Insight給出了更加令人歡欣鼓舞的預測，他們認為，預計到2030年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將從2023年的6,622.1億美元增長(cháng)到33,529.7億美元，復合年增長(cháng)率更是達到了26.1%。
基礎組件
傳感器是物聯(lián)網(wǎng)設備中的重要組件，它們可以測量周?chē)囊磺?，包括方位、運動(dòng)、光線(xiàn)、聲音、濕度和溫度，甚至血壓和心率等生物特征。作為物聯(lián)網(wǎng)基礎的傳感器和智能模塊，必須有合適的電力供應才能發(fā)揮通信和數據收集的作用。然而，因工作場(chǎng)景的限制，這些體積小、重量輕的物聯(lián)網(wǎng)設備常常被安裝在常人難以訪(fǎng)問(wèn)的地方。目前為傳感器節點(diǎn)供電的方案主要依賴(lài)于電池技術(shù)。因電池需要定期更換，隨著(zhù)時(shí)間的推移，不僅更換成本高昂且對環(huán)境不利。在目前的狀態(tài)下，解決傳感器持續供電問(wèn)題成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)普及的重大挑戰。
能量收集：解決IoT設備缺電問(wèn)題
最近幾年，能量收集技術(shù)引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。有了它，電子設備可以在沒(méi)有傳統電源的情況下保持正常運行，消除了對電線(xiàn)或更換電池的需要。
能量收集原理
從原理上講，能量收集是一種從各種非常規來(lái)源收集少量能量的技術(shù)，這些非常規來(lái)源包括設備周?chē)墓?、熱、振?dòng)和無(wú)線(xiàn)電波，有時(shí)它也被稱(chēng)為環(huán)境發(fā)電。與產(chǎn)生巨大能量的大型太陽(yáng)能和風(fēng)能裝置不同，能量采集器只從其周?chē)h(huán)境中收集微小的能量，這些電能僅供可穿戴電子設備和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等小型電子設備使用。該技術(shù)不僅消除了將昂貴的電力電纜連接到偏遠地區的需要，也解決了頻繁更換電池的這一行業(yè)難題。
能量收集設備
對于物聯(lián)網(wǎng)設備而言，有了能量收集技術(shù)的加持，電源線(xiàn)、需要更換的電池或可充電的電池這些場(chǎng)景很可能都會(huì )消失，那些智能設備將成為真正的無(wú)線(xiàn)設備。這一點(diǎn)對于安裝在人員難以到達的地方的設備尤其有用，它們可以無(wú)需額外的維護而保持長(cháng)期運行?，F在，已經(jīng)有許多物聯(lián)網(wǎng)和M2M設備開(kāi)始使用能量收集方案，預計未來(lái)使用量還會(huì )大幅增加。
四種常用的IoT能量收集技術(shù)
配備了能量收集技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備可以采集不同形式的來(lái)自外部來(lái)源的能量，這些環(huán)境能源最常見(jiàn)的有太陽(yáng)能、熱能、流量和射頻無(wú)線(xiàn)電等。
01 光能采集
太陽(yáng)為人類(lèi)帶來(lái)了取之不盡的能量，即使在陽(yáng)光有限的氣候下，太陽(yáng)能也是一種不錯的能源選擇。因此，光能采集成為廣為人知的一種能量收集方式?，F實(shí)中，從計算器到時(shí)鐘，許多設備都是由自己的光能采集器供電的。由于光源往往是間歇性的，太陽(yáng)能電池需要與超級電容器結合使用，以保證提供穩定的能源。不過(guò)，這里所說(shuō)的光能采集并不是可并網(wǎng)發(fā)電的那種大型太陽(yáng)能技術(shù)。
Texas Instruments（TI）的BQ25504是該公司智能集成能量采集Nano-Power管理解決方案中的第一款產(chǎn)品，該器件專(zhuān)門(mén)設計用于有效獲取和管理太陽(yáng)能或熱電發(fā)電機（TEG）等各種直流電源產(chǎn)生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）功率，非常適合超低功率應用，如具有嚴格功率和操作要求的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）。
BQ25504的設計始于DC-DC升壓轉換器/充電器，該轉換器/充電器僅需要微瓦的功率即可開(kāi)始工作。一旦啟動(dòng)，升壓轉換器/充電器就可以有效地從低電壓輸出采集器（如熱電發(fā)電機或單電池或雙電池太陽(yáng)能電池板）中提取電能。BQ25570還集成了一個(gè)電源管理系統（PMIC），通過(guò)使用雙電路來(lái)提高電壓，同時(shí)防止電池過(guò)度充電或爆炸。收集的能量可以?xún)Υ嬖诳沙潆婁囯x子電池、薄膜電池、超級電容器或傳統電容器中。
圖1：BQ25504光能采集應用電路（圖源：Texas Instruments）
02 熱能采集
熱能采集技術(shù)中的熱電采集器利用的是塞貝克（Seebeck）效應。在塞貝克效應中，當兩點(diǎn)之間存在溫度差時(shí)，導電材料上會(huì )產(chǎn)生電流。比如，合理利用機器或化工廠(chǎng)的熱量，就可以將其轉化為電能，為工廠(chǎng)的監測傳感器供電。由體溫提供動(dòng)力的手表以及為高溫環(huán)境（如工業(yè)供暖系統）中的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電也是一些可能的應用。
熱能采集方案中的熱電發(fā)電機（TEG）由熱電偶陣列組成，串聯(lián)在一起的熱電偶可連接到一個(gè)公共熱源，如發(fā)動(dòng)機、熱水器，甚至太陽(yáng)能電池板的背面。能夠輸出多少電能取決于TEG的大小和可以保持的溫差。Micropelt的TE-CORE7熱能收集模塊可轉換本地可用的廢熱，為低功率設備提供長(cháng)壽命運行，其中的TEG將熱量轉化為電荷，然后將其升壓，儲存在100μF電容器中，并調節至5.5V。在50°C的溫度下運行，TE-CORE 7可提供6.424mAh的電量，相當于三到四節AA電池。
圖2：TE-CORE7熱能收集模塊（圖源：Mouser）
針對熱能采集，TI有一款實(shí)用的參考設計——TIDA-00246，這是一款熱電發(fā)生器（TEG）通用能量采集適配器模塊參考設計，旨在為能量收集提供通用解決方案，同時(shí)為熱電發(fā)電機 提供實(shí)際應用。
03 RF能量采集
我們的身邊充斥著(zhù)大量的無(wú)線(xiàn)電波，這些電波中的微小能量也可以被收集并轉化為電能。對于射頻（RF）能量的采集，近年來(lái)人們的注意力主要集中在使用整流天線(xiàn)將微波轉換為直流電的發(fā)電和傳輸技術(shù)上。比如，RFID可通過(guò)對直接針對傳感器的強本地信號（而非環(huán)境RF）進(jìn)行整流來(lái)工作。
Powercast公司的P2110B 915MHz RF Powerharvester接收器是一種將射頻轉換為直流電的RF能量采集設備。P2110B將RF能量轉換為DC并將其存儲在電容器中，當電容器上達到充電閾值時(shí)，P2110B將電壓升壓到設定的輸出電壓電平，并使能電壓輸出。當電容器上的電荷下降到低電壓閾值時(shí)，電壓輸出將關(guān)閉。P2110B接收器采用緊湊的SMD封裝，可以提供一個(gè)完整的、無(wú)電池的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，該節點(diǎn)可以在低至-11.5dBm的RF輸入下工作，典型應用包括用于工業(yè)監控、建筑自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、農業(yè)和國防應用的無(wú)電池無(wú)線(xiàn)傳感器。
圖3：Powercast公司的P2110B RF能量采集方案（圖源：Mouser）
04 振動(dòng)能量（動(dòng)能）采集
門(mén)、旋轉的輪子、流動(dòng)的水，甚至人的活動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生動(dòng)能。振動(dòng)能量采集基于的是電磁感應或者壓電效應原理。在電磁感應中，當磁鐵或線(xiàn)圈相對于彼此移動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生電流。在壓電效應中，當壓力施加到壓電材料上時(shí)，材料發(fā)生極化從而產(chǎn)生電流。通過(guò)這些方式，線(xiàn)圈和壓電材料可以用于從日常生活中存在的振動(dòng)和旋轉中產(chǎn)生電能。
若將振動(dòng)能量采集器被集成到傳感器中，當汽車(chē)駛過(guò)傳感器帶時(shí)，壓電效應將產(chǎn)生一股電流為傳感器供電，接下來(lái)傳感器可將交通數據傳輸到中央服務(wù)器。壓電換能器在受力時(shí)會(huì )發(fā)電，因此，它們還可以成為檢測電機軸承噪音和機翼振動(dòng)的能量收集方案。
一個(gè)完整的能量收集系統通常由三個(gè)部件組成：專(zhuān)用換能器、接口電路和接收器。換能器或能量采集單元從環(huán)境源中采集能量，并將其轉換為電能。接口電路的功能是從采集單元中提取最大量的能量，并使能量水平與特定接收器或負載兼容，這是通過(guò)不同的功率管理方法實(shí)現的，包括電壓調節或整流等。接收器可以包括不同的傳感器、換能器或任何其他電子電路。
STMicroelectronics的SPV1050是一款超低功率高效功率管理器，它嵌入了四個(gè)MOSFET用于升壓或降壓-升壓DC-DC轉換器，以及一個(gè)用于負載連接/斷開(kāi)的額外晶體管。內部高精度MPPT算法可用于最大化從太陽(yáng)能面板或TEG提取的功率。內部邏輯通過(guò)在觸發(fā)VEOC閾值時(shí)或在觸發(fā)VUVP閾值時(shí)打開(kāi)傳輸晶體管以保持電池壽命來(lái)保證對充電結束電壓（VEOC）和最小電池電壓（VUVP）的嚴密監控。
圖4：意法半導體SPV1050能量收集功率管理器（圖源：STMicroelectronics）
能量收集市場(chǎng)前景
能量收集允許電子設備在沒(méi)有傳統電源的情況下運行，從而消除了對電線(xiàn)或更換電池的需求。
能量收集的挑戰
隨著(zhù)能源收集越來(lái)越受歡迎，它們必須克服的挑戰也在增加。首先，從能量收集中獲得的能量往往是微弱和不穩定的，只有在非常小的功率下工作的設備才能使用能量收集技術(shù)。其次，目前的能量收集設備的成本比較高，為了助力實(shí)現未來(lái)的智能城市、智能家居和智能工廠(chǎng)，能源收集方案還應在降本增效上下功夫。需要注意的是，由于能量源通常很小，因此支撐電子器件必須具有很高的功率效率。
技術(shù)進(jìn)步及市場(chǎng)趨勢
人口的增長(cháng)增加了對能源消費的需求，環(huán)境中大量可用的看起來(lái)微小的能量被直接或間接地浪費。捕獲這種能量并將其轉換為電能可以用于自主電子設備或電路?；趥鞲衅鞯哪芰渴占到y和節能收集組件的技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了全球市場(chǎng)的增長(cháng)。
來(lái)自Grand View Research的分析：2020年，全球能源收集系統市場(chǎng)規模約為4.522億美元，預計2020年至2028年將以10.2%的復合年增長(cháng)率（CAGR）增長(cháng)。市場(chǎng)的增長(cháng)主要源于物聯(lián)網(wǎng)不斷增長(cháng)的應用，包括智能城市、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和機器對機器（M2M）通信等。從技術(shù)角度看，振動(dòng)能量收集方案引領(lǐng)了2020年的市場(chǎng)，該細分市場(chǎng)占據了2020年全球市場(chǎng)32%的收入份額。
能量收集組件發(fā)展
根據組件，能量收集涉及到傳感器、換能器、電源管理IC（PMIC）、二次/備用電池等。傳感器是能量收集系統中極其關(guān)鍵的部件之一，它們負責收集環(huán)境光能、動(dòng)能、溫差和壓力變化，以轉化為可用的能量。2020年，傳感器組件以超過(guò)34.5%的收入領(lǐng)跑市場(chǎng)。
據Precedence Research分析，2022年，全球能源收集系統市場(chǎng)規模為6.4661億美元，預計到2030年將達到15.039億美元，2022年至2030年的復合年增長(cháng)率（CAGR）為11.13%。
能量收集是一種很有前途的IoT電源解決方案，尤其是當IoT設備安裝在人跡罕至的地區，無(wú)法定期維護電池時(shí)，能量收集技術(shù)有效延長(cháng)了設備的生命周期，并消除了固定充電電池作為能源的限制，在技術(shù)層面解決了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展因供電難題所面臨的種種挑戰，讓千億物聯(lián)傳感的大規模部署變得可行。
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