基于微能量采集技术的无源物联网研究与应用.pdf
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1、40ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$电子产品世界Design设计应用&Application工业自动化基于微能量采集技术的无源物联网研究与应用Research and implementation of Passive IoT based on energy harvesting technique 韩昕钰(深圳康佳电子科技有限公司,深圳518057)摘 要:基于微能量采集技术设计一款无源、无线智能开关。微能量(光能)采集使用E-PEAS的 AEM1094方案,蓝牙使用凌思微的LE5010方案。实验证明本文设计的无源、无线智能开关具备环境
2、部署的便利性也拥有极高的可靠性和稳定性。关键词:无源物联网;微能量采集技术;AEM10941;LE5010在现代社会,智能化已经成为一种趋势,无线智能物联网已在各行业部署,其连接规模高速增长。在过去的 3 年中,2020 年物联网连接数达到 113 亿,直至 2022 年增加到 160 亿,预计在 2025 年连接数将突破270 亿。然而,无线物联网生态为用户提供了极大便利的同时,大规模场景部署仍然受到环境、成本、节能环保等因素限制,传统供电方式已无法满足需求。1 无线物联网背景1.1 物联网通讯背景自 2010 至今,无线物联网核心研究除了提高更高效的通讯方式,扩大更广泛的部署领域外,降低终
3、端节点的功耗也成为重要的一环,各通信组织、机构也为此陆续创新科技并提出相关标准。全球通讯标准化组织(3GPP)提出了 LTE CAT 1、LTE CATM、NB-IoT 标准,引入 RedCap(缩减能力终端)成功降低了接入 5G 网络的物联网终端功耗。LoRa 联盟在 LoRaWAN 协议中规定 ClassA/B/C 三类终端设备类型支持所有低功耗设备进行快速场景部署。Wi-Fi、蓝牙协会也推出低功耗技术来支持物联网发展,满足设备之间“一对一”、“一对多”和“多对多”的相互通讯。1.2 物联网市场痛点目前,众多无线通讯设备的终端节点依旧通过电池或电源线供给能量(电能),而这类供能方式在不同场
4、景部署下暴露出的弊端制约了物联网向着更广阔的领域发展。1.2.1“双碳政策”的要求双碳政策,是碳达峰与碳中和的简称,国家希望在2030 年实现碳达峰,随后在 2060 年实现碳中和。可是,假设一个物理网设备需配备两块供能电池使用,那么百亿级的设备将消耗两倍百亿级的电池。当能源耗尽后,电池的遗留和降解会对环境带来巨大负担和不可逆的污染。因此,为了响应低碳政策实行,可持续、可再生的能源技术开发是推动物理网生态建设的重要支撑。1.2.2 极端环境部署受限无线传感网络的部署越来越广泛,但一部分应用场景往往无法支持接线供电或更换电池,主要包括两类环境:一是人们不长期活动的产所,如森林、山丘、沙漠等。二是
5、恶劣的工作环境,如高空、高温、高辐射作业和监测的环境。这些场所地域广且人迹罕至,无线设备若采用电池供电,能源耗尽后对其补充能量的成本极高。1.2.3 极低成本限制随着低功耗广域网络(LPWAN)的快速发展,相关模组成本已经大幅降低,可是进一步下降的空间有限。在实践中,如物流追踪,当低价值物品有大量的连接需求,往往需要海量的终端,这就需要传感器和通讯模组使用最低的成本实现最精准的通讯性能,最保守的方式则是通过减少器件实现成本缩减,电源部分成为了主要取舍对象。 2023.8电子产品世界设计应用Design&Application工业自动化1.2.4 终端尺寸限制在很多场景中,如智慧仓库、智慧农业、
6、智慧城市、智慧穿戴等,终端尺寸也是制约应用部署的因素。随着智慧产品变得越来越轻薄、小巧,对于供能模组的尺寸设计也变得越来越苛刻。现市场中部分电子价签方案商开始布局,类似这一类尺寸小、厚度薄的信息载体产品已无多余空间放下常规电源模组,能够自行持续供能的方案便成为了唯一解决方案。总的来说,面对综上所述的痛点,智能设备满足免维护、低功耗、低成本、小尺寸的需求是现阶段无线物理网生态建设中的研发目标之一,这也是无源物理网生态出现的重大意义。2 无源物联网方案2.1 微能量采集无源物理网主要是通过微能量采集技术、能量管理系统、低功耗计算模组 3 个核心技术部分实现。首先,自然环境中存在着很多能量来源,如光
7、能、热能、振动能、射频等,微能量采集技术就是通过将采集这些微小能量并将其转化为电能的技术。2.1.1 环境光能采集运用半导体的光电效应,光伏板从太阳光或环境光取得能源,当电子吸收的能量足够大时就能克服吸引力从金属表面逃离形成光电子,金属外层不同数量的电子使金属形成 P 型和 N 型半导体,二者接触面形成的电势差产生电能。2.1.2 热能采集运用热电材料的塞贝克效应,使不同导电体或半导体构成闭合电路,当两导体结合处温度不同会出现“冷热温差”时,此时回路中产生的电势差使热能转换成电能。2.1.3 振动能采集振动能又可定义为机械能,静电、压电、和电磁效应都可以将机械能转化为电能。当移动设备在工作中产
8、生轻微的振动时,压电材料可以将这种微能量采集并转化为电能。4)射频能采集:将包围在设备周围的射频信号作为能量来源,通过电磁感应实现对空间射频能量的采集并将其转换成电能。2.2 电源管理在微能量采集技术实现中,能量微弱和随机性明显,尤其大部分情况下属于微瓦级供能,因此除能量采集外,还需电源管理和能量储存部分对这些微弱能量进行有效管理。其中,能量储存部分可直接为负载供能,也可以被储到能量存储单元中供将来使用。最后,电源管理部分由稳压器形成,根据系统的要求稳定电压,并针对载体所需电压进行转换与分配。2.3 低功耗通讯为了实现无线设备间的通讯,现有组网方式主要为,ZigBee、Thread、Wi-Fi
9、 和 BLEMesh,其 中 Bluetooth SIG 组织发布了蓝牙 Mesh 标准可使网络中的各个节点之间相互通讯。SIG Mesh 网络由 Mesh 网络中的控制端和节点设备组成,其广播的实现步骤是:由设备 A 广播消息出去,当节点设备 B 收到设备 A 的消息后再把设备 A 的消息广播出去,直到让有在无线范围内的设备都收到此消息。相比于其他物理网组网方式(见表 1),SIG Mesh 具备低功耗、低成本的优势,同时还满足:1)网络中某个节点出故障时,整个网络依旧可保持正常通信,加入和脱离设置自由,具有组网方便,抗干扰的能力强;2)所有节点都一致、平等,避免了节点连接中心点困难的情况;
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