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适用于“近零功耗”物联网设备的能量收集技术

Energy harvesting hamster

NB-IoT 和其他低功耗广域技术可在极少需要数据传输的应用中实现长达 10 年的电池使用寿命。其他应用则需要消耗一些额外的电能,这正是能量收集技术的用武之地。

想象一下,一台物联网设备能够依靠从周围环境中收集的源源不断的能量,长年累月地运行。温差、振动、化学离子的浓度差、电磁辐射,或者常见的能量:阳光、风或其他形式的动能,比如说流经管道的水 — 任何外部来源都能发挥作用,前提是它能被利用并转化为电能。

能够不断地用收集到的能量为电池充电的设备可以部署更长的时间,所需的维修保养极少,并且在最好的情况下,甚至可以完全忽略它的存在。以智能燃气表为例,它通过利用冷却管道与周围空气之间的温差或电动机产生的振动来产生与它消耗的能量相抵的能量:如果设计良好,它们的使用寿命将仅取决于其所含组件的寿命。

低功耗广域通信技术和能量收集技术显然满足这一需求。两者都旨在从相反的角度解决问题,从而提高设备的自主运行性。LPWA 协议将操作所需的功耗降到最低水平。能量收集技术增加了可用的电能。开发那些涉及更多耗电技术(例如卫星定位技术)的“安装即忘记型设备”可能更具挑战性。

为了测试此类物联网设备上的能量收集潜力并获得宝贵的专业知识和见解,我们决定开发一个结合了 u‑blox NINA-B1 蓝牙模块u‑blox SARA NB-IoT 蜂窝通信模块u‑blox ZOE-M8Q GNSS 接收机的产品原型。该设备可以从三种来源收集能量,它使用太阳能电池、振动能量传感器和利用温差发电的发电器。

我们在可供下载的技术白皮书中总结了我们的开发过程、见解和建议。从中,您可以找到有关元件选择、软件开发和设备配置的所有详细信息,我们不再在这里赘述。我们仅简要总结我们从这次经历中获得的主要设计考虑事项。

最终,设计一个用于能量收集的系统与为其他低功耗物联网设备设计一个能量收集系统没有区别。它主要是优化电路设计,以尽可能降低无功电流。高值电阻和低泄漏器件是实现这一目标的关键。其次,极致的软件设计至关重要,同时需要在所有元件中采用最深度的实用休眠模式,管理能量消耗,并且考虑高阻抗硬件设计。

正如 2017 年欧盟报告中所述,用于物联网 设备的能量收集技术明显呈上升趋势,在凭借能量收集技术推动物联网的崛起上,商业和住宅应用占据了一半以上的市场。此外,随着传感器和设备进入了我们业务、城市和生活的方方面面,这种趋势似乎不太可能很快消退。