物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用每天都在不斷擴(kuò)大。由于超低功耗微控制器和基于網(wǎng)路邊緣的機(jī)器學(xué)習(xí)等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的綜合促進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性也在擴(kuò)展。低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 的出現(xiàn)使傳感器能夠定期從遠(yuǎn)程位置傳送數(shù)據(jù)，而無(wú)需任何電纜供電的電源。所有這些技術(shù)進(jìn)步一起消除了智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所面臨的障礙，從而能夠在遠(yuǎn)離電力線和沒有Wi-Fi 連接的田地中部署電池供電的土壤濕度和 pH 傳感器變得更加容易且成本更低。

無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)

在智能城市和智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中配置電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在迅速普及，當(dāng)然這只是眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的兩個(gè)典型例子。但是，其中的電池容量決定了設(shè)備可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，并且完全取決于設(shè)備的功耗特性。與電池成本相比，更換電池帶來(lái)的成本更高，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，變得異常高昂。因此，電池壽命少于六個(gè)月通常是根本不可行的。

將傳感器的微控制器和無(wú)線收發(fā)器盡可能長(zhǎng)時(shí)間保持在深度睡眠模式能夠延長(zhǎng)電池壽命。此外，某些特定類型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器占空比配置可能相對(duì)較低，例如，配置于土壤深層的濕度讀數(shù)不太可能在 30 分鐘內(nèi)發(fā)生太大變化，因此每半小時(shí)讀取一次數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生合理的指示。每個(gè)周期，設(shè)備的微控制器都會(huì)喚醒，讀取濕度傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包以備傳輸。然后收發(fā)器需要啟動(dòng)到 LPWAN 的鏈接，并發(fā)送完整數(shù)據(jù)包。在確認(rèn)收到后，收發(fā)器和微控制器都可以返回到睡眠模式。在鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸期間，設(shè)備的峰值功耗將顯著高于幾個(gè) μA 的睡眠模式，甚至短時(shí)間內(nèi)可能達(dá)到 100 mA。

認(rèn)真地考慮電源管理技術(shù)可以節(jié)省電池容量，但最終，電池還是需要更換或充電。

能量收集技術(shù)

使用可充電電池是一個(gè)謹(jǐn)慎的選擇，但如何保持充電呢？長(zhǎng)期以來(lái)，使用太陽(yáng)能電池板能夠?yàn)閼敉庠O(shè)備充電，但這并不是從周圍環(huán)境中獲取能量的唯一方法。許多物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備的低功耗特性意味著電池容量和浮充電（float charge）所需的能量并不十分大。電池容量也決定了其物理尺寸，因此保持較小的容量也有其他好處。產(chǎn)生毫瓦和微瓦能量的新能量收集技術(shù)已經(jīng)證明是可行的替代方案。

太陽(yáng)能：對(duì)于許多戶外應(yīng)用來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能已經(jīng)被廣泛用作一種優(yōu)秀的能源，它還為室內(nèi)環(huán)境光采集提供了機(jī)會(huì)。在室內(nèi)，收集的能量高度依賴于可用的光源、環(huán)境溫度和所處位置。因此，與室外太陽(yáng)能電池板相比，室內(nèi)收集的能量更難預(yù)測(cè)，而且要少得多。

機(jī)械振動(dòng)：許多研究論文報(bào)道了從機(jī)械運(yùn)動(dòng)中獲取的不同類型能量。這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)可能偶爾會(huì)發(fā)生，例如人們?cè)跇蛏闲凶?，或者有?guī)律地發(fā)生，例如電機(jī)外殼的自然振動(dòng)。能量傳感器包括集成壓電元件，能夠?qū)⒄駝?dòng)轉(zhuǎn)換為電能，以及線圈通過磁場(chǎng)時(shí)導(dǎo)致的電磁效應(yīng)。另一種方法則使用基于電容感應(yīng)的靜電方法。壓電和電磁方法似乎最可行。

風(fēng)能和水力：這些方法采用動(dòng)能從風(fēng)力或水流轉(zhuǎn)換成電能。在這兩種情況下，小型渦輪機(jī)都可以產(chǎn)生電能。對(duì)于這種能量收獲方法，以及風(fēng)力渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的安全性，尺寸是一個(gè)重要的考慮因素。然而，盡管有實(shí)際限制，收集的能量對(duì)于小型物聯(lián)網(wǎng)傳感器來(lái)說(shuō)已經(jīng)綽綽有余。

熱電技術(shù)：以這種方式產(chǎn)生的電能利用的是塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）原理，其中利用兩個(gè)半導(dǎo)體材料絕緣板之間的溫差來(lái)發(fā)電。可以將多個(gè)熱電模塊組合在一起以充分利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備空間限制允許的溫差。溫差越大，產(chǎn)生的能量就越多；但是，根據(jù)具體應(yīng)用的差異，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能存在一些實(shí)際困難

無(wú)線電頻率：利用電磁射頻收集能量是一個(gè)相對(duì)較新的概念。隨著當(dāng)今無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音連接的擴(kuò)展以及越來(lái)越多地面廣播電臺(tái)和電視臺(tái)的出現(xiàn)，在廣泛的無(wú)線電頻譜內(nèi)收集能量似乎非常有吸引力。可收集的功率取決于位置、頻率和合適的信號(hào)，但專業(yè)的半導(dǎo)體供應(yīng)商正在利用已經(jīng)可用的 IC 開拓該市場(chǎng)，從 ISM、Wi-Fi 和蜂窩頻率進(jìn)行能量收集的研究正在取得一些可喜成果。

收集我們周圍的能量

基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用未來(lái)將展現(xiàn)出幾乎無(wú)限的發(fā)展機(jī)會(huì)，而提供可靠的電源仍然是當(dāng)務(wù)之急。使用可充電電池為設(shè)備供電，并通過從環(huán)境能源中收集能量可提供一種實(shí)用的解決方案。對(duì)于某些應(yīng)用，電池可能會(huì)被超級(jí)電容器補(bǔ)充甚至取代，而與電池相結(jié)合的超級(jí)電容器可以滿足無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路啟動(dòng)和數(shù)據(jù)交換期間經(jīng)常出現(xiàn)的峰值能量需求。一些半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)擁有一系列高效電源管理和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC，這些 IC能夠針對(duì)太陽(yáng)能、壓電和熱電偶等多種能量來(lái)源的收集進(jìn)行優(yōu)化。