永久續(xù)航 | 低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用能量采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)源化運(yùn)行

摘要：各種形式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是提高人們生活質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵，隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，如何延長(zhǎng)這些終端的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)以減少維護(hù)頻次，成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步加速了萬(wàn)物智能化的進(jìn)程，數(shù)以億級(jí)的傳感器組成一個(gè)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)幫助人們實(shí)現(xiàn)了生活方式和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，特別是隨著“碳中和”及數(shù)字經(jīng)濟(jì)議題在全球范圍成為共識(shí)之后，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始將物聯(lián)網(wǎng)融入自身發(fā)展轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。

各行各業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能化升級(jí)

作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要支撐，物聯(lián)網(wǎng)憑借可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、管理能力一直以來(lái)備受各大行業(yè)追捧，但隨著行業(yè)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)，有部分業(yè)內(nèi)專家卻對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)表示了擔(dān)憂，根本原因在于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生命周期內(nèi)持續(xù)供電的難題無(wú)法解決。

根據(jù)Statista的預(yù)測(cè)，到2025年，全球?qū)⒂谐^(guò)750億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而這些設(shè)備當(dāng)中將有數(shù)十億甚至上百億臺(tái)依靠布線或者需要定期、多次更換電池供電，對(duì)于已部署或需要部署大型物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)以期完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)而言，這一模式所帶來(lái)的人力物力成本將異常高昂，同時(shí)也極大的限制了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的上限。

化工廠等大型制造業(yè)部署大量傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

近年來(lái)，在智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域，新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，例如智能手環(huán)、智能醫(yī)療身份卡片、智能溫度計(jì)等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，不僅要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能需求，還要求以更低的功耗持續(xù)運(yùn)行，以減少頻繁更換電池或者頻繁充電造成糟糕的用戶使用體驗(yàn)。

除此之外，尺寸的限制也給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)長(zhǎng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，以工業(yè)領(lǐng)域的定位標(biāo)簽（UWB）為例，這類產(chǎn)品往往體積較小，可以更方便地部署到叉車等移動(dòng)工業(yè)設(shè)備、物料倉(cāng)庫(kù)甚至是附加到員工的衣服上，并持續(xù)追蹤這些監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。這意味著管理員可以監(jiān)控運(yùn)輸和交付，可以精確跟蹤原材料庫(kù)存，可以提高人員安全性并減少召集和救援行動(dòng)所需的時(shí)間。

此外，在功能方面，這類產(chǎn)品又需要提供持續(xù)的高精度追蹤或者緊急按鈕功能。在種種嚴(yán)苛的條件下，產(chǎn)品必須要長(zhǎng)期處于低功耗的模式下才能完成相應(yīng)的任務(wù)，這無(wú)疑對(duì)電池尺寸、設(shè)備續(xù)航提出了更高的要求。

工業(yè)定位標(biāo)簽普遍對(duì)體積有較高的要求

為了解決這些難題，工程師們也在試圖延長(zhǎng)電池的續(xù)航以減少更換頻次，例如近些年大火的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，憑借對(duì)功耗的極度優(yōu)化，可支持終端設(shè)備電池續(xù)航五至八年。但相應(yīng)的，使用者也需要為更久的續(xù)航付出代價(jià)，這項(xiàng)技術(shù)之所以能延長(zhǎng)電池續(xù)航，主要原因在于其限定了極低的帶寬和數(shù)據(jù)上傳頻次，大多數(shù)LPWAN技術(shù)每天只能發(fā)送少于1，000 字節(jié)的數(shù)據(jù)，或每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)少于5，000位。其余時(shí)間它大多被迫處于休眠或者低功耗模式，依賴電池提供極低功耗維持運(yùn)作。

采用此類低功耗技術(shù)的確能夠延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，但低頻次的數(shù)據(jù)傳輸將使管理員對(duì)信息的掌握嚴(yán)重滯后，如果監(jiān)測(cè)對(duì)象是工業(yè)電機(jī)、化工管道等對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)性要求較高的產(chǎn)品時(shí)，不同步的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)事故發(fā)生。

工業(yè)電機(jī)意外停機(jī)易造成巨大損失

相比芯片、傳感器等元器件的性能更新速度，電池技術(shù)的進(jìn)步迭代顯得尤為緩慢，一部分業(yè)內(nèi)公司開(kāi)始積極探索其他能為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的方法，比如從環(huán)境中采集各種微弱的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電力為后端的低功耗設(shè)備進(jìn)行供電，從而無(wú)需受外部電池或者有限電源限制，達(dá)成能量自足的狀態(tài)，這種技術(shù)被稱為能量采集技術(shù)。

與傳統(tǒng)采用電池或者布線為設(shè)備進(jìn)行供電的原理不同，能量采集是指通過(guò)采集當(dāng)?shù)丨h(huán)境的能量——無(wú)論是以光能、溫差能、振動(dòng)能、射頻能或者其他形式轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，以這種方式產(chǎn)生的電力可以儲(chǔ)存在電容器或可充電電池中以維持物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)正常工作。

飛英思特能量采集技術(shù)

憑借在能量采集技術(shù)方面多年的鉆研，飛英思特推出了用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)供電的微能量管理模組，大幅降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電池的依賴，甚至在條件滿足的前提下可實(shí)現(xiàn)無(wú)源化永久續(xù)航。

不同于電池固有的能量密度，環(huán)境中的能量普遍較微弱且分散，想要采集這些能量本就并非易事，但隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來(lái)的物聯(lián)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景肯定是趨向多元化。飛英思特通過(guò)對(duì)能量采集技術(shù)各個(gè)方面的不斷優(yōu)化，目前在光能能量采集領(lǐng)域已創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了在低至50lux（晴天室外光照度30000lux—130000lux/室內(nèi)日光燈光照度100lux）的低照度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)取能，能量管理效率高達(dá)98%，遠(yuǎn)高于國(guó)外企業(yè)同照度下的能量管理效率。

在如此低的光照度下成功實(shí)現(xiàn)取能并維持設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，也意味著飛英思特所推出的微能管理模組可為更多的弱光場(chǎng)景，例如智能建筑、農(nóng)業(yè)種植、工廠等場(chǎng)所提供無(wú)源無(wú)線的供電解決方案。此外，無(wú)需電池的設(shè)計(jì)對(duì)于整體投入成本也有著明顯優(yōu)勢(shì)，假設(shè)一家工廠采用電池為上萬(wàn)個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)施管道監(jiān)測(cè)進(jìn)行供電，那么后期為這些設(shè)備定期更換電池勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生不菲的人力物力成本，而采用無(wú)源無(wú)線的供電方案后，將無(wú)需如此高頻的維護(hù)，可節(jié)約大量成本。

飛英思特模組可為各種場(chǎng)景提供免電池方案

除了能量采集的效率之外，另一個(gè)相關(guān)挑戰(zhàn)是設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，而這與能量的收集與管理息息相關(guān)，例如太陽(yáng)能在白天可通過(guò)采集可用的陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，然而在夜間無(wú)光源的情況下，如何保障設(shè)備穩(wěn)定工作成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。得益于精細(xì)化的能量管理技術(shù)，飛英思特所推出的微光能管理模組可通過(guò)白天持續(xù)捕獲環(huán)境中的微光能，并將多余的能量?jī)?chǔ)存在電容之中，以便在夜間無(wú)光源的情況下支撐設(shè)備正常工作，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷的可靠運(yùn)行。

為了滿足多元化的應(yīng)用場(chǎng)景，飛英思特還推出了不同系列的微能管理模組，例如REVOMINDS? FEH610是專為光能設(shè)計(jì)的微光能管理模組，REVOMINDS? FEH710則是可在±2攝氏度溫差環(huán)境下實(shí)現(xiàn)取能的TEG溫差能管理模組，此外，還有REVOMINDS? FEH620，一款可以應(yīng)用于微光能、射頻能、微動(dòng)能采集和管理的復(fù)合環(huán)境能量管理模組。憑借多能量的采集形式，開(kāi)發(fā)工程師可利用REVOMINDS? FEH620輕松設(shè)計(jì)出能夠采集、管理多種能量源的無(wú)源無(wú)線產(chǎn)品，這將進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品能量供給來(lái)源的多樣化和穩(wěn)定性，提高設(shè)備的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

飛英思特復(fù)合環(huán)境能量管理模組FEH620

另一方面，得益于微能管理模組高度集成化的設(shè)計(jì)，使得模組體積也得到了進(jìn)一步的縮小，不僅消除了電池供電固有的種種弊端，也為后續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)節(jié)約了大量的時(shí)間成本和BOM成本。工程師只需將換能器（如光伏電池）插入能量收集模組，再將后端電路連接到輸出即可。整個(gè)過(guò)程無(wú)需過(guò)多的工程研發(fā)，即可快速實(shí)現(xiàn)無(wú)源產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)。例如工業(yè)領(lǐng)域的熱力管道監(jiān)測(cè)傳感器、工業(yè)電機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器，智能家居領(lǐng)域的門(mén)磁、溫濕度計(jì)，零售行業(yè)的電子價(jià)簽等各類小型設(shè)備都可以利用飛英思特的無(wú)源無(wú)線供電方案實(shí)現(xiàn)。

隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，相信會(huì)有越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采納免電池的供電方案，這一舉措不僅減少了污染物的產(chǎn)生，其節(jié)約的成本也非?？捎^。特別是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速增加勢(shì)必會(huì)大量提高成本，而這種具備可持續(xù)性且擁有更高性價(jià)比的無(wú)源供電方案無(wú)疑更有優(yōu)勢(shì)，能幫助各行各業(yè)低成本完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。