長期以來，物聯網所(suo)形成的(de)巨大(da)市場(chang)和數以十億計的(de)龐大(da)設(she)(she)備(bei)(bei)數量已(yi)經(jing)逐漸為(wei)人們所(suo)熟(shu)知。同時，可移(yi)動的(de)物聯網(wang)(wang)設(she)(she)備(bei)(bei)正在變得越來越多，有線電(dian)源也并非長久之計。隨著(zhu)物聯網(wang)(wang)市場(chang)的(de)持續(xu)蓬勃增(zeng)長，設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)供(gong)能方式、電(dian)池(chi)問(wen)題正在成為(wei)新(xin)的(de)挑戰。
試(shi)想一下，假(jia)設我們(men)擁有10億臺物聯網設備(bei)，每(mei)臺設備(bei)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)達到(dao)3年(nian)，這就(jiu)意(yi)味著平均每(mei)天需要(yao)更換(huan)近100萬個(ge)電(dian)池(chi)，帶(dai)來成(cheng)本壓(ya)力、環境危(wei)害等諸多問題。那么有沒有什么新的(de)供能方式，可(ke)以紓緩這一現象?
通過本文，您將(jiang)了解到(dao)太陽能(neng)、機械能(neng)、熱能(neng)、射頻的能(neng)量收集技術，以及對應(ying)方案下現有的一些應(ying)用，為物(wu)聯網設備(bei)供(gong)能(neng)問題提(ti)供(gong)可靠參考。
“眾所周知”的太陽能收集
有(you)光(guang)的地(di)方就有(you)能量，光(guang)伏能量(太陽(yang)(yang)能)正在(zai)(zai)得到廣泛應用。同(tong)時，很多(duo)光(guang)伏技術(shu)不斷取得進展，如大型太陽(yang)(yang)能光(guang)伏板，還有(you)在(zai)(zai)計(ji)算器等(deng)產(chan)品中使用的小型光(guang)伏電池(chi)。
此(ci)外，有(you)(you)機太(tai)陽(yang)能電池技術(shu)也有(you)(you)望在未來(lai)實現(xian)(xian)商用(yong)，提供同等甚至更佳的性能。部(bu)分新(xin)材(cai)料(liao)還具備柔性基(ji)板(ban)、可(ke)定制形狀等特性，能夠定制印刷到(dao)柔性塑料(liao)或其(qi)他材(cai)料(liao)上(shang)(shang)，以便在現(xian)(xian)有(you)(you)工業設(she)計上(shang)(shang)添加新(xin)的光伏組件。
通過太陽能(neng)收(shou)集到的(de)(de)能(neng)量多少與光(guang)照(zhao)強度、光(guang)伏材料(liao)等(deng)多種因(yin)素有關。不(bu)同技術在不(bu)同光(guang)照(zhao)水平下(xia)從單(dan)位面(mian)積收(shou)集到的(de)(de)能(neng)量值是不(bu)同的(de)(de)，材料(liao)的(de)(de)價格也有差(cha)異。因(yin)此，光(guang)伏能(neng)量的(de)(de)收(shou)集需要考(kao)慮所處的(de)(de)光(guang)線環境、可用面(mian)積、預算(suan)限制等(deng)。
“歷史悠久”的機械能量收集
小型計算器是(shi)人們(men)非常熟(shu)悉的(de)一種(zhong)電子產品(pin)，但鮮為人知(zhi)的(de)是(shi)，早在100年前，當時(shi)的(de)“計算器”——加法(fa)機，就已經開(kai)始依靠機械能(neng)量收(shou)集進(jin)行運轉。
在(zai)機械能(neng)(neng)(neng)量收集中，我(wo)們(men)(men)通過機械運動(dong)使磁極在(zai)線圈中移(yi)動(dong)，形(xing)成能(neng)(neng)(neng)量爆(bao)發，繼而捕捉這些能(neng)(neng)(neng)量，用(yong)于無線傳輸(shu)等。借助以運動(dong)來收集和(he)釋放(fang)能(neng)(neng)(neng)量的機制，我(wo)們(men)(men)可以使能(neng)(neng)(neng)量隨產隨用(yong)，而不是儲存在(zai)電池中。
不過機械能量收集(ji)必(bi)須擁(yong)有對應的收集(ji)元件。一(yi)個(ge)元件往(wang)往(wang)需要3平方厘(li)米大小，高度(du)可以少于1厘(li)米。如何整合元件以滿(man)足設備(bei)的能量需求，這(zhe)是我們(men)需要充分考慮的。
“略顯陌生”的熱能收集
熱能(neng)(neng)收集(ji)可(ke)能(neng)(neng)是人們不(bu)太(tai)熟悉(xi)的(de)一(yi)項(xiang)技術(shu)。在熱電設(she)備中，當不(bu)同的(de)溫度(du)并排放置時(shi)，電壓隨之產生。利用這種溫差轉化(hua)成的(de)電壓，我們可(ke)以實現對熱能(neng)(neng)的(de)收集(ji)。
具體到溫(wen)差發電(dian)器中，我們給發電(dian)器的一(yi)端加熱，另(ling)一(yi)端保持低溫(wen)，從而使電(dian)路中出(chu)現(xian)電(dian)勢差;再借助升(sheng)壓電(dian)路升(sheng)高電(dian)壓，滿(man)足集成電(dian)路的運行需求。通過(guo)這個(ge)原理，Atmosic和一(yi)家(jia)公司(si)合作開(kai)發研發了一(yi)款熱能(neng)收集腕(wan)表，能(neng)夠僅靠收集手腕(wan)的熱量，完全(quan)自主支(zhi)持基本的手表功能(neng)。
需要注意的是，熱(re)(re)能收集中(zhong)我們不僅(jin)需要熱(re)(re)源，還(huan)需要散熱(re)(re)器來制造溫差(cha)。因為熱(re)(re)量必須在設(she)備中(zhong)不斷流(liu)動，才能產(chan)生(sheng)持續的電流(liu)和(he)能量來源。
“因地制宜”的射頻能量收集
對(dui)于100%占空(kong)比的射頻(pin)源(yuan)，可(ke)獲(huo)(huo)得的最(zui)大理論功率隨著移動距(ju)離(li)增(zeng)大快速下(xia)降。當移動距(ju)離(li)超過一米(mi)時，在(zai)(zai)2.4千兆(zhao)(zhao)赫(he)的情況下(xia)，即使是可(ke)獲(huo)(huo)得的原始能(neng)量(liang)也小于100微瓦，另(ling)外還需考(kao)慮收集器和儲存器的效率。而頻(pin)段切(qie)換到915兆(zhao)(zhao)赫(he)時，設備可(ke)獲(huo)(huo)得較高的功率收集水平，可(ke)以在(zai)(zai)兩三米(mi)、甚至五(wu)六米(mi)外收集能(neng)量(liang)。
與其他能量(liang)收(shou)(shou)集方式不同的是，射頻(pin)能量(liang)收(shou)(shou)集還需要考(kao)慮各地(di)區(qu)的通信法規限(xian)制(zhi)，包括(kuo)可(ke)用(yong)頻(pin)率、最大輸(shu)出功率等，這些限(xian)制(zhi)切實影響著可(ke)收(shou)(shou)集到(dao)能量(liang)的大小。例(li)如歐洲這方面的限(xian)制(zhi)要比(bi)(bi)北美、日本更(geng)加嚴格(ge)，以至于通常(chang)只能獲得比(bi)(bi)平時更(geng)低10db的能量(liang)。
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(de)依(yi)(yi)賴(lai)。例如我(wo)們可(ke)以在安(an)全標簽中(zhong)應用射頻(pin)喚(huan)醒技術，使其只有在靠近(jin)讀卡(ka)器(qi)時(shi)才(cai)會激(ji)活(huo)。通過(guo)射頻(pin)的(de)識(shi)別喚(huan)醒，還(huan)可(ke)允(yun)許設備僅在需要進行能量收(shou)集的(de)時(shi)候運行;或者依(yi)(yi)靠將設備放入特制的(de)盒子、或者靠近(jin)信號源(yuan)的(de)方式，讓設備在不運行的(de)時(shi)候充(chong)電。
當然(ran)，能量(liang)收集(ji)(ji)并非一種(zhong)“全有或全無”的(de)技術路線(xian)。我們仍然(ran)可(ke)(ke)以(yi)將電池技術與(yu)能量(liang)收集(ji)(ji)技術結(jie)合(he)起(qi)來，通(tong)過電源管理單(dan)元優先(xian)使(shi)用收集(ji)(ji)到的(de)能量(liang)，持續優化(hua)能耗，大(da)幅度延長電池的(de)使(shi)用壽命;也可(ke)(ke)以(yi)在某些情況下只使(shi)用收集(ji)(ji)到的(de)能量(liang)，完全擺脫(tuo)對電池的(de)依賴(lai)。
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(ju)備很多有助(zhu)降(jiang)低能(neng)耗(hao)的(de)特(te)(te)(te)性，比(bi)如獨立而(er)(er)靈(ling)活的(de)喚醒接(jie)收器，能(neng)夠(gou)讓芯片僅在接(jie)收到特(te)(te)(te)定射頻訊號(hao)時喚醒，從而(er)(er)保持低能(neng)耗(hao);以及(ji)集(ji)成(cheng)電(dian)源管(guan)理單元，能(neng)夠(gou)收集(ji)和管(guan)理多種能(neng)量輸入，甚至(zhi)在特(te)(te)(te)定條件下實現電(dian)池的(de)“永久”使(shi)用(yong)。
最(zui)后，Atmosic提供(gong)(gong)的(de)受控能(neng)量收集技(ji)術為物聯網和其(qi)他設備的(de)電池、成本問題提供(gong)(gong)了多(duo)種(zhong)(zhong)解(jie)決方案，可(ke)選的(de)能(neng)量收集技(ji)術種(zhong)(zhong)類很多(duo)，但(dan)它(ta)們也并(bing)非萬能(neng)。我們仍(reng)然需要(yao)深刻理(li)解(jie)所(suo)處的(de)環境和具(ju)體的(de)應用，結合預算、目標等維度(du)，根據條件選擇(ze)最(zui)合適(shi)的(de)解(jie)決方案。
