低功耗物联网设备利用能量采集技术实现无源化运行

摘要：各种形式的物联网设备是提高人们生活质量和实现可持续性发展的关键，随着数字化时代的来临，如何延长这些终端的续航时长以减少维护频次，成为了业界关注的焦点。

物联网技术的进步加速了万物智能化的进程，数以亿级的传感器组成一个个物联网生态系统帮助人们实现了生活方式和生产方式的转型，特别是随着“碳中和”及数字经济议题在全球范围成为共识之后，越来越多的行业开始将物联网融入自身发展转型的战略规划之中。

各行各业利用物联网进行智能化升级

作为数字经济的重要支撑，物联网凭借可靠的数据监测、管理能力一直以来备受各大行业追捧，但随着行业规模的持续增长，有部分业内专家却对物联网的未来表示了担忧，根本原因在于传统物联网设备生命周期内持续供电的难题无法解决。

根据Statista的预测，到2025年，全球将有超过750亿台物联网设备，而这些设备当中将有数十亿甚至上百亿台依靠布线或者需要定期、多次更换电池供电，对于已部署或需要部署大型物联网生态以期完成数字化转型的企业而言，这一模式所带来的人力物力成本将异常高昂，同时也极大的限制了物联网行业发展的上限。

化工厂等大型制造业部署大量传感器监测数据

近年来，在智慧工业、智慧医疗、智能家居等领域，新兴应用不断涌现，例如智能手环、智能医疗身份卡片、智能温度计等物联网产品，不仅要实现更复杂的功能需求，还要求以更低的功耗持续运行，以减少频繁更换电池或者频繁充电造成糟糕的用户使用体验。

除此之外，尺寸的限制也给物联网设备续航时长带来了挑战，以工业领域的定位标签（UWB）为例，这类产品往往体积较小，可以更方便地部署到叉车等移动工业设备、物料仓库甚至是附加到员工的衣服上，并持续追踪这些监测对象的实时位置数据。这意味着管理员可以监控运输和交付，可以精确跟踪原材料库存，可以提高人员安全性并减少召集和救援行动所需的时间。

此外，在功能方面，这类产品又需要提供持续的高精度追踪或者紧急按钮功能。在种种严苛的条件下，产品必须要长期处于低功耗的模式下才能完成相应的任务，这无疑对电池尺寸、设备续航提出了更高的要求。

工业定位标签普遍对体积有较高的要求

为了解决这些难题，工程师们也在试图延长电池的续航以减少更换频次，例如近些年大火的低功耗广域网（LPWAN）技术，凭借对功耗的极度优化，可支持终端设备电池续航五至八年。但相应的，使用者也需要为更久的续航付出代价，这项技术之所以能延长电池续航，主要原因在于其限定了极低的带宽和数据上传频次，大多数LPWAN技术每天只能发送少于1，000 字节的数据，或每秒发送的数据少于5，000位。其余时间它大多被迫处于休眠或者低功耗模式，依赖电池提供极低功耗维持运作。

采用此类低功耗技术的确能够延长设备的续航时长，但低频次的数据传输将使管理员对信息的掌握严重滞后，如果监测对象是工业电机、化工管道等对数据及时性要求较高的产品时，不同步的数据可能导致严重的运营生产事故发生。

工业电机意外停机易造成巨大损失

相比芯片、传感器等元器件的性能更新速度，电池技术的进步迭代显得尤为缓慢，一部分业内公司开始积极探索其他能为物联网设备供电的方法，比如从环境中采集各种微弱的能量，并将这些能量转化为电力为后端的低功耗设备进行供电，从而无需受外部电池或者有限电源限制，达成能量自足的状态，这种技术被称为能量采集技术。

与传统采用电池或者布线为设备进行供电的原理不同，能量采集是指通过采集当地环境的能量——无论是以光能、温差能、振动能、射频能或者其他形式转化为电能的发电技术，以这种方式产生的电力可以储存在电容器或可充电电池中以维持物联网电子系统正常工作。

飞英思特能量采集技术

凭借在能量采集技术方面多年的钻研，飞英思特推出了用于低功耗物联网供电的微能量管理模组，大幅降低了物联网设备对电池的依赖，甚至在条件满足的前提下可实现无源化永久续航。

不同于电池固有的能量密度，环境中的能量普遍较微弱且分散，想要采集这些能量本就并非易事，但随着物联网的不断发展，未来的物联设备应用场景肯定是趋向多元化。飞英思特通过对能量采集技术各个方面的不断优化，目前在光能能量采集领域已创新性地实现了在低至50lux（晴天室外光照度30000lux—130000lux/室内日光灯光照度100lux）的低照度环境下实现取能，能量管理效率高达98%，远高于国外企业同照度下的能量管理效率。

在如此低的光照度下成功实现取能并维持设备长期可靠运行，也意味着飞英思特所推出的微能管理模组可为更多的弱光场景，例如智能建筑、农业种植、工厂等场所提供无源无线的供电解决方案。此外，无需电池的设计对于整体投入成本也有着明显优势，假设一家工厂采用电池为上万个物联网设备实施管道监测进行供电，那么后期为这些设备定期更换电池势必会产生不菲的人力物力成本，而采用无源无线的供电方案后，将无需如此高频的维护，可节约大量成本。

飞英思特模组可为各种场景提供免电池方案

除了能量采集的效率之外，另一个相关挑战是设备的稳定运行，而这与能量的收集与管理息息相关，例如太阳能在白天可通过采集可用的阳光实现运行，然而在夜间无光源的情况下，如何保障设备稳定工作成为了问题的关键。得益于精细化的能量管理技术，飞英思特所推出的微光能管理模组可通过白天持续捕获环境中的微光能，并将多余的能量储存在电容之中，以便在夜间无光源的情况下支撑设备正常工作，最终实现无间断的可靠运行。

为了满足多元化的应用场景，飞英思特还推出了不同系列的微能管理模组，例如REVOMINDS® FEH610是专为光能设计的微光能管理模组，REVOMINDS® FEH710则是可在±2摄氏度温差环境下实现取能的TEG温差能管理模组，此外，还有REVOMINDS® FEH620，一款可以应用于微光能、射频能、微动能采集和管理的复合环境能量管理模组。凭借多能量的采集形式，开发工程师可利用REVOMINDS® FEH620轻松设计出能够采集、管理多种能量源的无源无线产品，这将进一步增强产品能量供给来源的多样化和稳定性，提高设备的运行时长。

飞英思特复合环境能量管理模组FEH620

另一方面，得益于微能管理模组高度集成化的设计，使得模组体积也得到了进一步的缩小，不仅消除了电池供电固有的种种弊端，也为后续的产品开发设计节约了大量的时间成本和BOM成本。工程师只需将换能器（如光伏电池）插入能量收集模组，再将后端电路连接到输出即可。整个过程无需过多的工程研发，即可快速实现无源产品的原型设计。例如工业领域的热力管道监测传感器、工业电机监测传感器，智能家居领域的门磁、温湿度计，零售行业的电子价签等各类小型设备都可以利用飞英思特的无源无线供电方案实现。

随着数字化时代的来临，相信会有越来越多的企业开始采纳免电池的供电方案，这一举措不仅减少了污染物的产生，其节约的成本也非常可观。特别是在工业、农业等领域，物联网设备的快速增加势必会大量提高成本，而这种具备可持续性且拥有更高性价比的无源供电方案无疑更有优势，能帮助各行各业低成本完成数字化转型，进一步提高企业核心竞争力。

作者：飞英思特科技，更多内容关注微信公众号：飞英思特科技

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