為什么說能量采集是物聯(lián)網(wǎng)的未來?

自20世紀90年代以來，物聯(lián)網(wǎng)這一新興技術(shù)憑借其可使物與物實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從智能音箱到智能手機，從物流供應(yīng)鏈上的射頻識別標簽到可穿戴智能健身追蹤器，物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用徹底改變了我們的生活方式。

特別是近年來，數(shù)字化發(fā)展成為全球各個國家和地區(qū)的共識，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和傳感器的新增數(shù)量更是與日俱增，極大地推動了各個行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度。但就是在這么一片形式向好的大環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模卻并未得到高速增長。

根據(jù)專業(yè)機構(gòu)IoT AnaIytics發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)跟蹤報告顯示：截止2021年，全球物聯(lián)網(wǎng)實際連接數(shù)僅為117億，雖在逐年增長，卻與之前各大機構(gòu)預測的2021年達到萬億市場的目標相距甚遠。

2015年至2021年物聯(lián)網(wǎng)預測以及實際取得的連接數(shù)

物聯(lián)網(wǎng)增長之所以不及預期，存在諸多方面的原因。但從整個產(chǎn)業(yè)目前的共同遭遇來看，持續(xù)的成本投入、過大的傳感器及電池尺寸、壽命限制是阻礙物聯(lián)網(wǎng)高速增長的三大主要挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)一：持續(xù)的成本投入

現(xiàn)實中，企業(yè)想要采集數(shù)據(jù)實施新的數(shù)字化運營方式，需部署大量的傳感器進行數(shù)據(jù)采集工作，這的確是一筆不小的投資，但隨著產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，傳感器的采購成本并不會給企業(yè)帶來很重的經(jīng)濟負擔。

與之相反，安裝和維護才是企業(yè)付出高成本的主要原因。目前，傳感器主要采用小部分布線供電和大部分電池供電兩種方式，于前者而言，大量的傳感器部署必將造成額外的線材成本和人力成本；部署后可能存在的線路損壞和排查也會帶來不小的成本投入。 

若采用電池供電，優(yōu)勢在于安裝更加便捷，但礙于電池有限的續(xù)航，當設(shè)備安裝完畢之后，企業(yè)還需要安排人力定期更換電池以維系物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的正常運行，在產(chǎn)品運行的全生命周期內(nèi)，往往需要3次以上的電池更換和維護，若需要維護的傳感器數(shù)量眾多或處于偏遠位置，其產(chǎn)生的綜合成本可能呈幾何級增長。

因此，在推進物聯(lián)網(wǎng)項目實施的過程中，這種需要前期投入+持續(xù)投入成本的特性，讓大部分企業(yè)在決策時變得更加謹慎。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)二：維護困難

投資成本高昂往往和物聯(lián)網(wǎng)增長的第二個難點密切相關(guān)，即傳感器不確定的維護需求。不論是布線供電還是電池供電的傳感器，在小規(guī)模部署的情況下，人力維護基本可以保障整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的正常運行，但一旦傳感器的部署數(shù)量達到百億乃至千億時，維護工作將充滿巨大挑戰(zhàn)。

設(shè)想一下，為一萬只電池供電的智慧水表依靠傳統(tǒng)人工提供維保是能夠完成的的，當這個數(shù)量上升到十萬、百萬級別持續(xù)的維護就讓企業(yè)變得難受起來，如果這個數(shù)量達到幾億、幾十億之后呢？屆時，面臨數(shù)目巨大且分布零散的維護需求，企業(yè)所需付出的人力和物力成本將達到一個恐怖的數(shù)字。以此類推其他需要大范圍、大規(guī)模部署的傳感設(shè)備，也將面臨同樣的難題。

除了維護非常困難之外，對于需要長期采集數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，實時性顯得尤為關(guān)鍵，無電后更換電池前的空窗期難免會造成數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)采集的實時性得不到保障。

若在此階段發(fā)生意外性事件，只會造成更大損失。其次，設(shè)備本身消耗電量的不一致導致為設(shè)備更換電池的時間節(jié)點也并不同步，當傳感器數(shù)量眾多時，這種偶發(fā)性事件將會變成常態(tài)事件，對于整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的正常運行造成極大影響。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)三：壽命限制

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備想要持續(xù)運行，穩(wěn)定的供電是必備條件。目前，IoT節(jié)點主要實行小部分采用布線供電和大部分采用電池供電兩種方式，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的多元化，布線供電這一復雜且高成本的供電方式已逐漸顯得力不從心。

反觀電池供電，卻因為簡單便捷的形式博得了行業(yè)的喜愛。但這并非毫無代價，眾所周知，設(shè)備的續(xù)航時間取決于功率需求的限制，功耗越低續(xù)航越久，功耗越高續(xù)航越短。想要延長物聯(lián)設(shè)備續(xù)航時長的唯一方法就是降低功耗或者增加儲能模塊尺寸。很顯然，無論哪種結(jié)果都與現(xiàn)行的需求相背離。

更長的續(xù)航時間意味著更多的電池數(shù)量

組成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的元件之中，能量儲存模塊的尺寸尤為突出，這主要是因為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用電池供電，如若縮減該模塊尺寸必將同步減少電池數(shù)量，繼而導致設(shè)備續(xù)航時間大幅縮短。

如果想要維持設(shè)備長時間的正常運行，則必須定期更換電池。前期部署少量設(shè)備還可以勉強支撐，但當物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署規(guī)模擴大至百億千億級時，這將會為后期的維護帶來巨大的挑戰(zhàn)。

首先，為數(shù)目眾多的終端設(shè)備更換電池勢必帶來高昂的人力物力成本，其次，對于需要長期采集數(shù)據(jù)的設(shè)備來說，更換電池前的空窗期難免會造成數(shù)據(jù)缺失，且設(shè)備本身消耗電量的不一致導致為設(shè)備更換電池的時間節(jié)點也不一致，這也是一個難以解決的問題；最后，數(shù)量龐大的廢棄電池將對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，這主要是因為電池中使用了多類污染物材料。

近年來，隨著便攜式技術(shù)的發(fā)展，人們對于電池的依賴急劇提高。根據(jù)中研普華出版的《2020-2025年中國鋰電池及其負極材料回收再利用市場投資規(guī)劃研究報告》顯示：全球如今每年廢棄的鋰電池超過50萬噸，其中大部分源自小型電子產(chǎn)品。

預計到2030年，全球?qū)︿囯姵氐男枨髮⒃黾?0倍。這將直接導致制造電池的原材料（如鋰、鋅、鈷和錳）儲備量極速下降，倘若按照這個趨勢發(fā)展下去，物聯(lián)網(wǎng)未來能否持續(xù)依賴電池供電將充滿極大的不確定性。

集邦咨詢：2020-2025年全球鈷的供需情況及預測

基于布線和電池供電的物聯(lián)網(wǎng)所存在的成本及環(huán)境污染等問題，推動了業(yè)界對物聯(lián)設(shè)備替代供電方案的研究，并一致認為新的形式應(yīng)具備更加精簡、更低成本、電源更好管理三大特點。在種種設(shè)計思路中，以環(huán)境能量作為發(fā)電介質(zhì)的能量采集脫穎而出，被認為是實現(xiàn)未來物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署的關(guān)鍵技術(shù)之一。

飛英思特能量采集促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在我們生活的環(huán)境當中，存在著諸多微弱的能量，例如光能、振動能、RF射頻能、TEG溫差能等等，通過能量采集技術(shù)將這些能量進行采集并轉(zhuǎn)化為電能，可使設(shè)備能夠無限期運行而免布線、免更換電池，不僅減少了整體運營成本，還能避免電池污染。

在能量采集技術(shù)供電方案下，設(shè)備儲能模塊的電池將被超級電容所替代，從而為設(shè)備的小型化設(shè)計提供了客觀條件，大大拓寬了物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用領(lǐng)域。但是目前用于能量收集的電源管理IC（PMIC）往往需要大量的外部硬件工程來確定如何調(diào)節(jié)能量收集換能器的輸入及IC保護等，這將增加整體物料（BOM）成本和額外的空間。

飛英思特作為領(lǐng)先的無源物聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)，基于自研的能量采集技術(shù)，推出了微能量管理模組解決方案和微能量管理芯片解決方案，得益于高度集成的設(shè)計，大幅降低了后續(xù)的開發(fā)難度，工程師只需將換能器（如光伏電池）插入能量管理模組/芯片，再將后端電路連接到輸出即可快速完成無源產(chǎn)品的原型設(shè)計。

能量采集技術(shù)原理

通過搭載飛英思特的供電解決方案，設(shè)備的供電難題和高昂持有成本將被徹底打破，憑借其高效穩(wěn)定的微能量采集和管理技術(shù)，產(chǎn)品無需布線、無需更換電池即可實現(xiàn)其生命周期內(nèi)的永久續(xù)航，不受場景或電池壽命造成的供電限制，綜合成本也將得到大幅下降。

應(yīng)用方面，飛英思特所提供的兩種能量整體解決方案擁有巨大的想象空間，幾乎可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)各個行業(yè)的低功耗設(shè)備，例如會展行業(yè)的智能電子胸牌、數(shù)碼產(chǎn)品行業(yè)的智能手表、健身行業(yè)的可穿戴式健身追蹤器等等。

此類低功耗的設(shè)備通過搭載微能管理模組/芯片，不僅能大幅提高設(shè)備的續(xù)航時長，條件滿足的前提下甚至還可以實現(xiàn)設(shè)備生命周期內(nèi)的永久續(xù)航。于企業(yè)而言，打造此類開發(fā)成本更低且無需維護的設(shè)備，將顯著提升自身的市場核心競爭力。

從上述可見，供電問題可能是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今所遭遇的最大瓶頸之一，更大范圍的應(yīng)用需求迫使著物聯(lián)網(wǎng)作出新的改變，可設(shè)備的整體尺寸和續(xù)航都是開發(fā)者必須所考慮的因素，傳統(tǒng)的供電方式很難兩者兼顧。

如今，采取全新的能量管理解決方案，不僅可以解決此類難題，開發(fā)成本也將隨之降低。對于整個行業(yè)而言，這一創(chuàng)新技術(shù)的意義更加重大，它不僅重續(xù)了物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的道路，還提高了運營效率，使可持續(xù)變成現(xiàn)實。