四大能量收集技術(shù)助力突破物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電困境

作者：Atmosic 首席執(zhí)行官 David Su

長(zhǎng)期以來，物聯(lián)網(wǎng)所形成的巨大市場(chǎng)和數(shù)以十億計(jì)的龐大設(shè)備數(shù)量已經(jīng)逐漸為人們所熟知。同時(shí)，可移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在變得越來越多，有線電源也并非長(zhǎng)久之計(jì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的持續(xù)蓬勃增長(zhǎng)，設(shè)備的供能方式、電池問題正在成為新的挑戰(zhàn)。

試想一下，假設(shè)我們擁有10億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備的電池壽命達(dá)到3年，這就意味著平均每天需要更換近100萬個(gè)電池，帶來成本壓力、環(huán)境危害等諸多問題。那么有沒有什么新的供能方式，可以紓緩這一現(xiàn)象？

通過本文，您將了解到太陽能、機(jī)械能、熱能、射頻的能量收集技術(shù)，以及對(duì)應(yīng)方案下現(xiàn)有的一些應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供能問題提供可靠參考。

“眾所周知”的太陽能收集

有光的地方就有能量，光伏能量（太陽能）正在得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，很多光伏技術(shù)不斷取得進(jìn)展，如大型太陽能光伏板，還有在計(jì)算器等產(chǎn)品中使用的小型光伏電池。

此外，有機(jī)太陽能電池技術(shù)也有望在未來實(shí)現(xiàn)商用，提供同等甚至更佳的性能。部分新材料還具備柔性基板、可定制形狀等特性，能夠定制印刷到柔性塑料或其他材料上，以便在現(xiàn)有工業(yè)設(shè)計(jì)上添加新的光伏組件。

通過太陽能收集到的能量多少與光照強(qiáng)度、光伏材料等多種因素有關(guān)。不同技術(shù)在不同光照水平下從單位面積收集到的能量值是不同的，材料的價(jià)格也有差異。因此，光伏能量的收集需要考慮所處的光線環(huán)境、可用面積、預(yù)算限制等。

“歷史悠久”的機(jī)械能量收集

小型計(jì)算器是人們非常熟悉的一種電子產(chǎn)品，但鮮為人知的是，早在100年前，當(dāng)時(shí)的“計(jì)算器”——加法機(jī)，就已經(jīng)開始依靠機(jī)械能量收集進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

在機(jī)械能量收集中，我們通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)使磁極在線圈中移動(dòng)，形成能量爆發(fā)，繼而捕捉這些能量，用于無線傳輸?shù)?。借助以運(yùn)動(dòng)來收集和釋放能量的機(jī)制，我們可以使能量隨產(chǎn)隨用，而不是儲(chǔ)存在電池中。

不過機(jī)械能量收集必須擁有對(duì)應(yīng)的收集元件。一個(gè)元件往往需要3平方厘米大小，高度可以少于1厘米。如何整合元件以滿足設(shè)備的能量需求，這是我們需要充分考慮的。

“略顯陌生”的熱能收集

熱能收集可能是人們不太熟悉的一項(xiàng)技術(shù)。在熱電設(shè)備中，當(dāng)不同的溫度并排放置時(shí)，電壓隨之產(chǎn)生。利用這種溫差轉(zhuǎn)化成的電壓，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的收集。

具體到溫差發(fā)電器中，我們給發(fā)電器的一端加熱，另一端保持低溫，從而使電路中出現(xiàn)電勢(shì)差；再借助升壓電路升高電壓，滿足集成電路的運(yùn)行需求。通過這個(gè)原理，Atmosic和一家公司合作開發(fā)研發(fā)了一款熱能收集腕表，能夠僅靠收集手腕的熱量，完全自主支持基本的手表功能。

需要注意的是，熱能收集中我們不僅需要熱源，還需要散熱器來制造溫差。因?yàn)闊崃勘仨氃谠O(shè)備中不斷流動(dòng)，才能產(chǎn)生持續(xù)的電流和能量來源。

“因地制宜”的射頻能量收集

對(duì)于100%占空比的射頻源，可獲得的最大理論功率隨著移動(dòng)距離增大快速下降。當(dāng)移動(dòng)距離超過一米時(shí)，在2.4千兆赫的情況下，即使是可獲得的原始能量也小于100微瓦，另外還需考慮收集器和儲(chǔ)存器的效率。而頻段切換到915兆赫時(shí)，設(shè)備可獲得較高的功率收集水平，可以在兩三米、甚至五六米外收集能量。

與其他能量收集方式不同的是，射頻能量收集還需要考慮各地區(qū)的通信法規(guī)限制，包括可用頻率、最大輸出功率等，這些限制切實(shí)影響著可收集到能量的大小。例如歐洲這方面的限制要比北美、日本更加嚴(yán)格，以至于通常只能獲得比平時(shí)更低10db的能量。

作為全球超低功耗物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無線技術(shù)的創(chuàng)新者，Atmosic研發(fā)了超低功耗射頻、射頻喚醒和受控能量收集三大創(chuàng)新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最低功耗，并徹底降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)電池的依賴。例如我們可以在安全標(biāo)簽中應(yīng)用射頻喚醒技術(shù)，使其只有在靠近讀卡器時(shí)才會(huì)激活。通過射頻的識(shí)別喚醒，還可允許設(shè)備僅在需要進(jìn)行能量收集的時(shí)候運(yùn)行；或者依靠將設(shè)備放入特制的盒子、或者靠近信號(hào)源的方式，讓設(shè)備在不運(yùn)行的時(shí)候充電。

當(dāng)然，能量收集并非一種“全有或全無”的技術(shù)路線。我們?nèi)匀豢梢詫㈦姵丶夹g(shù)與能量收集技術(shù)結(jié)合起來，通過電源管理單元優(yōu)先使用收集到的能量，持續(xù)優(yōu)化能耗，大幅度延長(zhǎng)電池的使用壽命；也可以在某些情況下只使用收集到的能量，完全擺脫對(duì)電池的依賴。

Atmosic設(shè)計(jì)有一款專注于能量收集應(yīng)用的超低功率藍(lán)牙5.0芯片，具備很多有助降低能耗的特性，比如獨(dú)立而靈活的喚醒接收器，能夠讓芯片僅在接收到特定射頻訊號(hào)時(shí)喚醒，從而保持低能耗；以及集成電源管理單元，能夠收集和管理多種能量輸入，甚至在特定條件下實(shí)現(xiàn)電池的“永久”使用。

最后，Atmosic提供的受控能量收集技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)和其他設(shè)備的電池、成本問題提供了多種解決方案，可選的能量收集技術(shù)種類很多，但它們也并非萬能。我們?nèi)匀恍枰羁汤斫馑幍沫h(huán)境和具體的應(yīng)用，結(jié)合預(yù)算、目標(biāo)等維度，根據(jù)條件選擇最合適的解決方案。