深度分析!電池阻礙物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的8個(gè)原因

為了提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建效率，采用電池為物聯(lián)網(wǎng)終端供電已成為當(dāng)下的主流模式，但電池的續(xù)航畢竟是有限的，提供便捷安裝的同時(shí)也意味著需要定期更換電池來保障傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，這大大的限制了物聯(lián)網(wǎng)的增長(zhǎng)速度。

現(xiàn)實(shí)生活中遍布著數(shù)以億級(jí)的傳感器

設(shè)想一下，當(dāng)數(shù)十甚至上百億的傳感器都采用電池供電時(shí)，維護(hù)產(chǎn)生的人力物力成本將達(dá)一個(gè)不可預(yù)估的數(shù)目，而這還只是經(jīng)濟(jì)方面的支出。英國(guó)知名研究公司IDTechEx在其《Battery Elimination in Electronics and Electrical Engineering 2018-2028》研究報(bào)告中指出：如果必須更換電池，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)就無法部署數(shù)千億，更是至少有80%的物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值遭到破壞。主要原因是手動(dòng)維護(hù)需求、有限的續(xù)航和節(jié)能技術(shù)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)空白，以及為此類傳感器供電所生產(chǎn)和處置都對(duì)環(huán)境造成危害的大量電池。

實(shí)際上，電池供電的傳感器在物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展過程中所面臨的困難還遠(yuǎn)不止以上幾種，一些隱性的問題也在客觀影響著傳感器的續(xù)航和穩(wěn)定性，如果不盡早解決這些難題，將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

01:電池供電的傳感器需要手動(dòng)維護(hù)

為傳感器供電的電池續(xù)航是有限的，為了保障傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作，所有的電池都需要定期更換。根據(jù)分析師預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示：假設(shè)我們?yōu)槿f億數(shù)量的傳感器搭載一個(gè)可續(xù)航10年的電池，那么我們每天需要更換274,000,000塊電池才能保持傳感器網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，如果電池續(xù)航縮減為3年，每天更換的電池?cái)?shù)量將接近10億次。而且整個(gè)過程目前仍需人工手動(dòng)完成，這將帶來持續(xù)的人力成本和材料成本支出。

電池供電的各類表計(jì)需要定期更換電池

更嚴(yán)重的是，頻繁的更換電池破壞了連接傳感器的核心價(jià)值，企業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)傳感器的主要原因之一就是這些設(shè)備可以幫助企業(yè)消除設(shè)備、機(jī)械及管道或其他資產(chǎn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。但如果這些傳感器本身依舊需要人為定期維護(hù)以確保其正常運(yùn)行，那么實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的意義將大大降低。

02:電池有限續(xù)航可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺口

電池供電的傳感器必將面臨電量耗盡的情況，停止工作的傳感器將不會(huì)上傳任何數(shù)據(jù)至后臺(tái)，除非運(yùn)維團(tuán)隊(duì)能夠提前發(fā)現(xiàn)傳感器電池電量即將耗盡，并準(zhǔn)確掌握傳感器位置信息并進(jìn)行及時(shí)更換，否則企業(yè)將徹底丟失傳感器在此期間所采集的全部數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)電力塔的傳感器續(xù)航耗盡可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)

其次，由于企業(yè)或者工廠普遍利用傳感器來進(jìn)行關(guān)乎安全或者重要設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和傳輸，電池的耗盡極有可能造成人身傷害或者資產(chǎn)方面的重大損失。

03:傳感器通常較低頻次地傳輸數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)性是物聯(lián)網(wǎng)傳感器的核心能力之一，樂觀的情況下，企業(yè)在關(guān)鍵位置所部署的傳物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如安裝在化工廠管道節(jié)點(diǎn)位置以持續(xù)監(jiān)測(cè)有毒物質(zhì)是否泄露的傳感器，應(yīng)該非常頻繁地上傳數(shù)據(jù)，但現(xiàn)實(shí)當(dāng)中卻并非都如此。

為了延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，許多物聯(lián)網(wǎng)傳感器所配置的數(shù)據(jù)更新頻次極低，有時(shí)甚至是每10天乃至更久才傳輸一次數(shù)據(jù)。這將導(dǎo)致管理人員無法準(zhǔn)確掌握被監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，隨著時(shí)間的不斷推移，這些滯后的數(shù)據(jù)將大大提高誤判的可能性，不僅無法體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知的特點(diǎn)，還給企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)帶來了極大的安全隱患。

04:物理尺寸會(huì)限制傳感器功能

在構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)傳感器的眾多分立元件中，電池的體積是最大的，這主要是為了保障設(shè)備擁有足夠的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)。但電池較大的尺寸和重量通常會(huì)限制傳感器的實(shí)用性，例如電子標(biāo)簽、電子卡牌此類對(duì)重量和大小極其敏感的產(chǎn)品，就很難采用這一方案。

電池體積極大限制了產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)

其次，過大的電池使得小尺寸的產(chǎn)品開發(fā)也充滿種種挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品體積的限制下，產(chǎn)品開發(fā)工程師必須在減少電池大小或者縮減功能兩方面做出選擇，但這樣做很難保障產(chǎn)品不損失既定的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)和功能需求。

05:潛在的健康隱患和環(huán)境污染

憑借重量輕、續(xù)航久等優(yōu)點(diǎn)，鋰電池如今已成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電的首選。但帶來了便捷的同時(shí)，這些鋰電池也由于其潛在的有毒材料，對(duì)人類健康及自然環(huán)境都造成了嚴(yán)重的威脅。

面對(duì)不斷涌現(xiàn)的電池需求，生產(chǎn)商勢(shì)必需要大量開采鋰、鈷、鎳、錳和石墨等生產(chǎn)鋰電池的關(guān)鍵原材料，整個(gè)過程不僅需要消耗大量的能源和水，同時(shí)還經(jīng)常對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成化學(xué)污染和地質(zhì)破壞。其次，電池在生產(chǎn)和廢棄處置環(huán)節(jié)中意外浸出的鈷、銅和其他物質(zhì)也對(duì)人體健康直接構(gòu)成危害。

原材料開采對(duì)生態(tài)造成巨大破壞

另一方面，電池原材料的無限制開采也不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，客觀原因之一是材料資源儲(chǔ)備是有限的，當(dāng)?shù)厍蛏显贌o材料時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)將面臨無電池可用的窘境。

06:限制傳感器的“摩爾定律”

近些年，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的性能無論是在智能化、集成度等方面都得到了顯著的提升，但值得注意的是，為這些設(shè)備供電的電池長(zhǎng)時(shí)間以來性能升級(jí)的速度卻極為緩慢。

美國(guó)克萊姆森大學(xué)在《精密的無電池感應(yīng)》這一論文中指出，與其他技術(shù)領(lǐng)域不同，摩爾定律（半導(dǎo)體性能大約每18個(gè)月翻番）不適用于電池技術(shù)生產(chǎn)和研究中使用的化學(xué)和制造工藝。

電池性能進(jìn)步速度遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體性能迭代速度

隨著二十世紀(jì)末微電子技術(shù)的發(fā)展，鋰電池得到大規(guī)模應(yīng)用，其性能進(jìn)一步提升，續(xù)航更加持久，重量也有了大幅降低，但從整體來看，電池各方面性能的進(jìn)步每年最多只有幾個(gè)百分點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以跟上總體計(jì)算能力的進(jìn)步，難以支撐物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求。

07:元件差異限制續(xù)航時(shí)長(zhǎng) 

當(dāng)前，大部分的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是通過高度集成化而來，設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳感、處理、內(nèi)存及通信等模塊都需要電池模塊供電以保障正常工作，但值得注意的是，不同廠商所開發(fā)的元器件對(duì)于功耗的優(yōu)化處理是存在差異的，當(dāng)這些元件被集成在一起之后，對(duì)于設(shè)備的整體續(xù)航時(shí)長(zhǎng)必然會(huì)存在影響。

特別是近些年，市場(chǎng)更加青睞續(xù)航更長(zhǎng)的設(shè)備，一些廠商為了提高自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，積極開發(fā)“超低功耗”的無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器元件，例如微控制器（MCU）就是為低功耗而設(shè)計(jì)的，它也的確能為延長(zhǎng)續(xù)航做出貢獻(xiàn)，但如果掃描器、溫濕度計(jì)傳感器或游戲設(shè)備的芯片并非如此，哪怕是經(jīng)過了高度集成化的處理，利用電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)續(xù)航時(shí)長(zhǎng)依舊無法得到顯著提升。

08:獨(dú)立元器件導(dǎo)致傳感器性能不佳

除了續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，不同元件所構(gòu)建的傳感器還存在另外一個(gè)問題，即這些傳感器缺乏整體的協(xié)同能力。試想一下，當(dāng)某個(gè)無線傳感器中的數(shù)據(jù)處理能力已經(jīng)超過其最大的負(fù)荷，但由于傳感器系統(tǒng)由獨(dú)立的硬件和軟件組成，彼此之間難以無縫通信，甚至無法發(fā)起相關(guān)問題的警報(bào)，管理人員無從得知自然也無法即時(shí)解決此類問題。傳感器將繼續(xù)超負(fù)荷工作，輕則任務(wù)失敗自動(dòng)停機(jī)，重則設(shè)備損毀數(shù)據(jù)丟失。

獨(dú)立元件構(gòu)建的傳感器可能導(dǎo)致性能不佳

雖然此類問題很棘手，但并非無法解決，試想一下，當(dāng)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建成一個(gè)統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)，從供電到數(shù)據(jù)采集再到數(shù)據(jù)傳輸，所有部分都實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作之后，一旦某個(gè)處理器發(fā)生超負(fù)載的情況，系統(tǒng)完全可以將負(fù)載轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中負(fù)擔(dān)較輕的區(qū)域，繼而保證設(shè)備能一直正常工作，但這一切的前提必須是可靠的供電作為基礎(chǔ)。

微能管理模組/芯片解決電池續(xù)航難題

為了滿足不斷涌現(xiàn)的市場(chǎng)需求，一舉解決電池帶來的種種難題，飛英思特結(jié)合自研的先進(jìn)能量采集技術(shù)及微能量管理技術(shù)，推出了微能量管理模組和微能量管理芯片，為客戶帶來更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集傳輸和更低功耗的供電解決方案。

微能管理模組/芯片具備復(fù)合環(huán)境能量采集能力，通過采集環(huán)境中的微光能、射頻能、微動(dòng)能、溫差能（TEG）進(jìn)行發(fā)電，使得設(shè)備在使用過程中無需更換電池，條件滿足的前提下甚至還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備生命周期內(nèi)的無電池永久續(xù)航，消除了維護(hù)設(shè)備和頻繁更換電池所帶來的高昂人力物力成本。

飛英思特能量采集技術(shù)

此外，憑借高度集成化的設(shè)計(jì)，飛英思特所提供的供電解決方案還大幅降低了后續(xù)的開發(fā)難度，產(chǎn)品開發(fā)工程師無需進(jìn)行繁重的集成工作，只需簡(jiǎn)單地將換能器插入微能管理模組/芯片，再將后端電路連接到輸出即可完成無源產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)，為企業(yè)快速搶占市場(chǎng)奪得先機(jī)。

通過這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除了可解決電池供電的種種不足，飛英思特微能管理模組/芯片還極大拓寬了物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，例如醫(yī)療身份卡、物品信息標(biāo)簽等對(duì)體積、續(xù)航、效率要求更高的產(chǎn)品。

縱觀整個(gè)行業(yè)來看，電池的確極大束縛了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但作為全球領(lǐng)先的無源無線技術(shù)和產(chǎn)品提供商，飛英思特正努力通過創(chuàng)新的供電方案解決這一難題，期待最終讓各個(gè)行業(yè)的低功耗設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)免維護(hù)免電池運(yùn)行，并幫助降低物聯(lián)網(wǎng)電池對(duì)生態(tài)造成的破壞。