物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在迅速發(fā)展，已經(jīng)部署了數(shù)十億個(gè)微型設(shè)備，如智能傳感器和執(zhí)行器。通常，它們是用于收集信息的傳感器，有時(shí)通常以小的方式影響環(huán)境，以尋求改善生活的各個(gè)方面，例如可持續(xù)性，安全性和業(yè)務(wù)績(jī)效。

單個(gè) IoT 網(wǎng)絡(luò)可以只包含幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以包含數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)。它們可以部署在密閉空間內(nèi)或整個(gè)大地理區(qū)域，如大型農(nóng)場(chǎng)，工業(yè)場(chǎng)所，城市，甚至跨境部署。

維護(hù)大型 IoT 端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可能具有挑戰(zhàn)性。雖然固件更新通常可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式遠(yuǎn)程應(yīng)用，但物理維護(hù)（例如更換放電的電池）是勞動(dòng)密集型且昂貴的：最好通過(guò)確保電池包含足夠的能量來(lái)滿(mǎn)足已部署設(shè)備對(duì)其整個(gè)使用壽命的需求來(lái)避免這一責(zé)任。

隨著每一代新IC的連續(xù)更新IC都利用先進(jìn)的工藝技術(shù)和創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)來(lái)降低功耗需求，并且日益復(fù)雜的應(yīng)用軟件最大限度地利用了省電睡眠模式，因此已經(jīng)有可能設(shè)計(jì)出從單個(gè)紐扣電池運(yùn)行十年或更長(zhǎng)時(shí)間的小型器件。

這可以足夠長(zhǎng)，以消除在系統(tǒng)使用壽命期間更換電池的需要。然而，有時(shí)需要做更多的工作來(lái)將整體能源需求降低到使用合適的電池可以滿(mǎn)足的水平。

如何為您的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選擇最注重功耗的無(wú)線(xiàn)電

在無(wú)線(xiàn)傳感器或執(zhí)行器中，無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)通常消耗最多的能量。這里的一些工程，通過(guò)技術(shù)選擇和調(diào)整方面，如比特率和占空比，可以顯著影響功耗和壽命能源需求。所需的通信范圍以及硬件、許可證和任何網(wǎng)絡(luò)訂閱的成本是控制無(wú)線(xiàn)電技術(shù)選擇的關(guān)鍵因素。

圖 1 比較了流行的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。硬件模塊、軟件和設(shè)計(jì)訣竅，以幫助基于任何這些技術(shù)啟動(dòng)和運(yùn)行解決方案，這些都是現(xiàn)成的。

圖 1.用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的流行無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。（圖片來(lái)源：貝洱科技）

在相對(duì)不可改變的范圍和成本約束范圍內(nèi)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)選擇來(lái)行使一些選擇來(lái)影響功耗。圖 2 顯示了 Zigbee 如何成為短距離和低數(shù)據(jù)速率連接的最有效選擇，而如果需要更高的數(shù)據(jù)速率，藍(lán)牙可能更有意義。對(duì)于更長(zhǎng)的憤怒，可用的替代方案更少，功耗的差異也不那么明顯。可以通過(guò)降低占空比來(lái)調(diào)整無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)的能量需求;通過(guò)捕獲較少的傳感器數(shù)據(jù);或通過(guò)在端點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理以丟棄不需要的信息。

圖 2.無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的典型功耗，根據(jù)范圍和比特率。（圖片來(lái)源：沃勒系統(tǒng)）

但是，仍然不可能將系統(tǒng)能源需求降低到所需電池可以提供的數(shù)量。如果差異很小，可以考慮安裝更大的電池。但是，如果供需之間的差異太大，或者由于某種原因更大的電池不切實(shí)際，則可以引入收集環(huán)境能量的系統(tǒng)。它可以與電池結(jié)合使用以彌補(bǔ)不足，或者可以完全消除對(duì)電池的需求，從而使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)具有基本上無(wú)限的使用壽命。

最佳環(huán)境能源

現(xiàn)在可以有效地收集幾種環(huán)境能量源來(lái)為電子電路供電，包括太陽(yáng)能，使用珀?duì)柼占臒崮芤约笆褂脡弘娖骷东@的動(dòng)能。

為任何給定應(yīng)用選擇最佳環(huán)境能量源取決于幾個(gè)因素，包括應(yīng)用的能量需求、可用源以及需要最多能量的時(shí)間和間隔。

如圖3所示，部署在室外的太陽(yáng)能電池可以成為收獲能量的慷慨來(lái)源。但是，傳感器可能需要安裝在日光很少或部分被陰影覆蓋或可能被可移動(dòng)物體遮擋的位置。在適當(dāng)?shù)臈l件下，熱電元件從工業(yè)過(guò)程中收集的熱能和使用壓電器件從機(jī)器振動(dòng)中收集的動(dòng)能可以是可行的替代方案（圖3）。

圖 3.比較能量收集技術(shù)的功效。

收獲模塊的大小 - 無(wú)論是太陽(yáng)能，熱電還是壓電 - 也需要根據(jù)應(yīng)用限制來(lái)考慮。

當(dāng)環(huán)境能量不可用時(shí)

無(wú)論選擇哪種方法，環(huán)境能量并不總是以可收獲的形式提供。太陽(yáng)能電池板在黑暗中不能發(fā)電，熱電或壓電元件只能在過(guò)程或機(jī)器運(yùn)行時(shí)收集能量。

為了克服這一點(diǎn)，能量收集系統(tǒng)通常用于為電池或電容器充電，以便以后在環(huán)境能量不可用時(shí)使用。需要一個(gè)能量收集電源管理IC（EH PMIC）來(lái)處理收集系統(tǒng)、儲(chǔ)能介質(zhì)和應(yīng)用之間的能量流，并為電池的充電和應(yīng)用提供正確的電源電壓。

典型的傳統(tǒng)EH PMIC經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與特定類(lèi)型的能量收集器配合使用，通常僅提供一個(gè)輸入。然而，可能需要多種能源來(lái)滿(mǎn)足大量的總體能源需求。這些可能是幾個(gè)相同類(lèi)型的收割機(jī)，放置在不同的位置，或者設(shè)計(jì)人員可能需要從不同的環(huán)境源捕獲能量。

但是，將多個(gè)收割機(jī)連接到系統(tǒng)需要單獨(dú)的EH PMIC或額外的接口電路，從而引入額外的成本和復(fù)雜性，增加占地面積并提高功耗。Trameto 獲得專(zhuān)利的柔性 EH PMIC 通過(guò)允許設(shè)計(jì)人員將多個(gè)能量收集設(shè)備直接連接到同一設(shè)備來(lái)克服這一點(diǎn)（圖 4）。

圖 4.特拉梅托的多收獲、多輸入 EH PMIC。

變體提供多達(dá)四種能量收集輸入，并且可以使用任何收集技術(shù)組合。可能最多有四個(gè)太陽(yáng)能電池板，放置在不同的位置或方向，以?xún)?yōu)化全天的能量收集，多個(gè)壓電收集器連接到不同的機(jī)器或機(jī)制，幾個(gè)熱電收集器，或能源的混合物。

結(jié)論

能量收集系統(tǒng)可用于增強(qiáng)或更換遠(yuǎn)程部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的電池，并節(jié)省與電池更換相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

可以考慮各種收集技術(shù)，包括太陽(yáng)能電池，熱電和壓電器件，分別用于捕獲太陽(yáng)能，熱能和動(dòng)能。所有這些都有局限性，并且環(huán)境能量不能連續(xù)可用?？赡苄枰鄠€(gè)單獨(dú)的單元或各種不同類(lèi)型的收割機(jī)來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的能量需求。

使用采用單輸入設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)EH PMIC很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。下一代設(shè)備提供了連接多個(gè)相同或不同類(lèi)型的收割機(jī)的機(jī)會(huì)，幫助物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的設(shè)計(jì)者充分利用環(huán)境中可用的能源，從而最大限度地提高經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

審核編輯：郭婷