芯耀
与非AI
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随着物联网（IoT）和工业物联网（IIoT）在家庭、城市和工厂中持续扩大部署，一项长期存在的挑战正变得愈发明显：如何在不依赖传统布线或频繁更换电池的情况下，为日益增多的联网设备供电。为此，能量采集技术应运而生，成为一种切实可行且日益重要的解决方案。这项技术通过捕获光、运动、热和无线电波等环境中的能量，使设备能够独立运行。
本文将探讨能量采集技术如何重塑物联网系统的部署方式。我们将深入分析其背后的技术原理、所利用的能源类型，以及工程师如何设计出更智能、更可持续的设备，让无电池物联网成为现实。
01、互联世界中的供电问题
物联网的前景很广阔，它将带来更智能的家居生活、更高效的工厂生产，以及能够自主运行的城市基础设施。但这个生态系统中的每一个传感器、执行器和无线节点都需要电力才能运行。传统上，这意味着它们必须接入电网或依赖电池，但这两种方式都有局限性。电网布线是一件高成本的事情，而且这种方式缺乏灵活性；电池虽然方便，但电量终究会耗尽，而且维护成本高昂，有时甚至难以实施。
于是，能量采集应运而生。这项技术可捕获环境中的能量，包括光、热、运动，乃至零星的无线电信号，并将它们转化为可用的电能。这并不是新的概念，但超低功耗电子技术和能量采集技术的近期发展，使能量采集成为了适用于多种应用场景的实用解决方案。
02、不同来源适用不同场景
能量采集并非一刀切的解决方案。不同的环境需要不同的能量来源，而每种来源都有其优势。
太阳能是为人熟知的能量采集源。户外太阳能电池板已十分常见，但诸如钙钛矿等新型光伏材料，已经可以从室内照明中采集能量。这些柔性、低光照光伏电池可以塑造成适合包裹或嵌入物体表面的形状[1]，从而开辟了新的设计可能性。
动能可以来自风、水或振动，是另一种丰富的能源。此类能量采集装置包括微风中旋转的小型发电机、受压时能产生电荷的压电元器件等。在工业环境中，还可以利用电机或机械产生的振动为附近的传感器供电；甚至按下一个按钮的动作也能产生足够的能量来发送无线信号[2]。通过捕获重复运动产生的机械能，例如电机嗡嗡声或行人行走产生的能量，设备可以将这种动能转化为可用的电能。这些技术在环境中存在持续且可预测的运动时尤为重要，可以为嵌入式系统提供可靠且无需维护的能源。
热电发电机（TEG）利用两个表面之间的温差来发电。TEG非常适合废热丰富的工业环境，如炉体或高温管道的侧面。
环境射频能量或许是当今所有能量采集来源中极具未来感的。它通过捕获来自Wi-Fi、蜂窝网络或专用射频发射器的散射无线电波，并将它们转化为电能。虽然能量水平较低，但对于电子货架标签或低占空比传感器等超低功耗设备而言，这些电能已能够满足需求。
03、更智能的系统，更智能的供电
当然，能量采集只是成功的一半，高效的管理同样至关重要。这正是现代微控制器和电源管理集成电路（PMIC）发挥作用的地方。得益于深度睡眠模式和智能任务调度，如今的嵌入式系统仅需微瓦级的功率即可运行。能量采集IC通常内置电源调节和储能管理功能，确保即使面对间歇性的能量来源，设备也能保持平稳运行。
还有一种设计方向是混合方案，即结合多种采集方法，或辅以可充电电池或超级电容器[3]。这不仅提高了可靠性，更使得在某些能源供应可能不稳定的环境中，也能够更灵活地部署。
在这种架构中，PMIC起着至关重要的作用。这些芯片负责调节能量采集器、储能元件和负载之间的能量流动。部分PMIC专为兼容多种类型的能量采集器而设计，可使系统设计和部署更灵活。
04、能量采集的重大意义
能量采集的意义远不止于带来便利。它使真正无线、免维护的设备成为可能，这些设备可部署在曾经因供电问题而难以覆盖的场所，如偏远的农田、历史建筑，或是密封的工业设备内部。能量采集技术可以延长电池续航乃至完全消除这一问题，从而减少电子废弃物。此外，能量采集通过解决供电问题，消除了物联网基础设施主要的后勤障碍之一，从而加速其部署进程。
随着物联网规模持续扩大，我们越来越需要可持续、低维护需求的供电解决方案。能量采集不仅仅是一种巧妙的技巧，更是一项基础性技术，有助于充分发挥互联系统的潜能。
05、结语
能量采集技术的演进标志着互联系统设计与部署方式的重大转变。各种微控制器和无线技术正持续降低功耗，让环境中采集的能源得到越来越多的应用。这种融合正催生新一代设备，它们不仅更具可持续性，还能更好地适应多样且严苛的环境。
随着材料科学和电源管理技术不断进步，能量采集即将成为未来物联网和工业物联网生态系统架构中的关键要素。其日益凸显的作用，预示着基础设施将逐渐摆脱对传统电源的依赖，让灵活性更高、维护需求更低，并且更流畅地融合技术与日常生活。从智慧城市到远程监控，能量采集正为更加自主和可持续的未来奠定基础。
如需更深入地了解这一主题，请阅读完整版文章《Energy Harvesting Set to Accelerate IoT and IIoT Use Cases》。
本文由Microsoft 365 Copilot协助生成。
参考资料
[1] https://resources.mouser.com/explore-all/latest-solar-panel-technology-shines-bright
[2] https://doi.org/10.1109/WIECON-ECE64149.2024.10915086
[3] https://resources.mouser.com/energy-harvesting/supercapacitors-find-applications-in-hybrid-vehicles-smartphones-and-energy-harvesting
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