物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端能量獲取方式的比較與研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是為實現(xiàn)某種目的，把各種安裝了傳感裝置（包括傳感器、RFID裝置等）的設(shè)備、貨物和基礎(chǔ)設(shè)施與通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，使這些物體能夠相互進(jìn)行通信和共同工作，同時能被遠(yuǎn)程感知和控制，從而實現(xiàn)人與人、人與物以及物與物的互聯(lián)、相融與互動的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在軍事、交通、電力、環(huán)保、市政、物流、家居等領(lǐng)域，以提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，通過更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接傳感網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。它擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)釆集、初步處理、加密、傳輸?shù)榷喾N功能。能量獲取技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,在無可用電源和電源能量有限的情況下，如何獲得足夠的電能以及如何有效利用有限的電能，已成為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端能否正常工作的關(guān)鍵。因此，怎樣和如何獲取有效能量，也是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端在技術(shù)上急需解決的問題。通過能量采集技術(shù)山可以采集環(huán)境中的能量（如:振動能、太陽能、熱能、射頻能等）并將其轉(zhuǎn)化為電能，以供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端工作使用,從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量自給，解決其能量再生問題。本文針對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量問題，對不同能量采集技術(shù)在能量來源、適用范圍、成本等方面進(jìn)行了分析比較，提出了選擇性價比比較高的能量采集方案的具體原則，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量自給，達(dá)到降低系統(tǒng)成本的目的。

1 能量的釆集和使用

圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器節(jié)點的能量采集與使用原理框圖。物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器節(jié)點從其所處的周圍環(huán)境中收集可利用的能源，并將其轉(zhuǎn)換為電能傳輸?shù)侥芰看鎯εc管理模塊，當(dāng)節(jié)點工作時，能量存儲與管理模塊中的電能經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)節(jié)點上的各個元器件處（例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲器、射頻收發(fā)器等⑴,供其工作使用，以滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端對電源的需求,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量自給。

由圖1可知,物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器節(jié)點可以收集環(huán)境中的各種能源，且不同能源有不同的采集方式。因此，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器節(jié)點處于某一環(huán)境時，是否能夠得到足夠的電能,直接取決于能量采集方式和電能的轉(zhuǎn)化效率，所以需要根據(jù)其環(huán)境中的能源特點，來選擇最有效的能量釆集方式。下面對多種能量采集技術(shù)的性能特點進(jìn)行分析比較，以便在某一特定環(huán)境下選定能量采集方式,并將其高效地轉(zhuǎn)化為電能,從而保證物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點正常的工作，延長物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的生命周期。

2  能量釆集技術(shù)性能分析

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端所處的環(huán)境不同,環(huán)境中的可用能源就不同，且同一能量采集方式在不同環(huán)境中的電能轉(zhuǎn)化率也有差異。所以，如何選擇有效的能量采集方式是傳感器節(jié)點電源選擇的關(guān)鍵。針對這一問題,并結(jié)合環(huán)境中能量的特點，可對各能量采集技術(shù)的性能進(jìn)行分析，以便為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端選擇電能轉(zhuǎn)化率比較高的能量采集方式，保證其持續(xù)地工作，延長其壽命。

2.1  振動能量采集

振動是一種廣泛存在的現(xiàn)象，特別是在汽車、飛機(jī)、橋梁或大型機(jī)械等多種場合中，而這些場合往往又是物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器節(jié)點應(yīng)用的重點領(lǐng)域。振動能量采集就是傳感器節(jié)點采集機(jī)械、車輛、樓宇以及橋梁等其它建筑架構(gòu)產(chǎn)生的振動能,并將其轉(zhuǎn)換為電能，用于自身工作的一種能量采集技術(shù)。

具有振動能采集功能的小型傳感器節(jié)點可安裝到車門、電動馬達(dá)基座等狹小空間中，還可安裝到大型機(jī)械、建筑物或橋梁等場合中。傳感器節(jié)點在這里無需電池、電源線路或通信布線即可持續(xù)工作，而且能夠在不需要維護(hù)的情況下無限期的工作。

目前，振動能采集方式有壓電式、電磁式和靜電式，其中壓電式發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、易于微型化,而且壓電式振動能采集設(shè)備具有體積小、綠色無污染等優(yōu)點，因此，壓電式能量采集已成為最常用的振動能量采集方式西。影響壓電式振動能采集輸出電壓和能量的因素是壓電材料和振動頻率。壓電材料尺寸越小,壓電效率越高，當(dāng)它們的厚度介于20?23nm之間時，其壓電效率可提高100%,但其成本會很高；電量輸出和振動頻率增加成線性關(guān)系，同振動力的增加成指數(shù)關(guān)系，因此，當(dāng)振動微弱或振動頻率不穩(wěn)定時，就可能無法為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端提供足夠的電源。

2.2  太陽能采集

太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”，既節(jié)能又環(huán)保的新能源，無論是陸地、海洋、高山或島嶼，處處皆有,無地域的限制，且無需開采和運輸，可直接開發(fā)利用。太陽能采集就是將太陽能或光能轉(zhuǎn)化為電能,將轉(zhuǎn)化后的電能用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端工作的一種能量采集技術(shù)。此技術(shù)可以解決不可再生資源的枯竭，能源的緊缺，環(huán)境污染等問題。

太陽能采集可用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)以及商業(yè)等多領(lǐng)域,尤其在光照充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)和危險環(huán)境區(qū)，開發(fā)人員可以構(gòu)建基于太陽能的自供電物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端,從而無需定期花費時間與金錢進(jìn)行可插電源維護(hù)和電池更換。最常見的太陽能采集器件就是太陽能電池，當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，太陽能電池的硅材料可吸收光子的能量，使電子發(fā)生躍遷,成為自由電子，從而在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，就會有電流流過外部電路并產(chǎn)生一定的輸出功率。太陽能電池分為多晶體硅太陽能電池和非晶體硅太陽能電池，多晶硅電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率為11%?16%,非晶硅電池的效率只有多晶硅的一半(8%),但非晶硅的應(yīng)用仍很普遍，因為它的成本要比多晶硅的低一個數(shù)量級，因而適合于大批量消費、低功耗電子器件。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的傳感器節(jié)點一般都屬于低功耗器件，且電壓受限，目前使用的是非晶硅電池，這樣不但可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量自給，而且還可節(jié)約系統(tǒng)成本。

雖然太陽能來源廣泛，但是太陽能具有分散性和不穩(wěn)定性。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端傳感器節(jié)點處于太陽能密度很低或陰影區(qū)時,太陽能采集技術(shù)的電能轉(zhuǎn)化率很低。要想保證有足夠的電能，就必須增加太陽能采集器的存儲能力和光照面積，以便將低密度的光能高效地轉(zhuǎn)化為電能，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端提供充足的電能。然而，存儲能力、光照面積和轉(zhuǎn)化率的提高又會大大增加系統(tǒng)成本，故在使用時要慎重考慮。