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永久續(xù)航 | 低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用能量采集技術(shù)實現(xiàn)無源化運行

飛英思特 ? 2022-05-26 10:28 ? 次閱讀

摘要:各種形式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是提高人們生活質(zhì)量和實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵,隨著數(shù)字化時代的來臨,如何延長這些終端的續(xù)航時長以減少維護(hù)頻次,成為了業(yè)界關(guān)注的焦點。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步加速了萬物智能化的進(jìn)程,數(shù)以億級的傳感器組成一個個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)幫助人們實現(xiàn)了生活方式和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型,特別是隨著“碳中和”及數(shù)字經(jīng)濟(jì)議題在全球范圍成為共識之后,越來越多的行業(yè)開始將物聯(lián)網(wǎng)融入自身發(fā)展轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。

各行各業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能化升級

作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要支撐,物聯(lián)網(wǎng)憑借可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)測、管理能力一直以來備受各大行業(yè)追捧,但隨著行業(yè)規(guī)模的持續(xù)增長,有部分業(yè)內(nèi)專家卻對物聯(lián)網(wǎng)的未來表示了擔(dān)憂,根本原因在于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生命周期內(nèi)持續(xù)供電的難題無法解決。

根據(jù)Statista的預(yù)測,到2025年,全球?qū)⒂谐^750億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,而這些設(shè)備當(dāng)中將有數(shù)十億甚至上百億臺依靠布線或者需要定期、多次更換電池供電,對于已部署或需要部署大型物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)以期完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)而言,這一模式所帶來的人力物力成本將異常高昂,同時也極大的限制了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的上限。

化工廠等大型制造業(yè)部署大量傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

近年來,在智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域,新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn),例如智能手環(huán)、智能醫(yī)療身份卡片、智能溫度計等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品,不僅要實現(xiàn)更復(fù)雜的功能需求,還要求以更低的功耗持續(xù)運行,以減少頻繁更換電池或者頻繁充電造成糟糕的用戶使用體驗。

除此之外,尺寸的限制也給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備續(xù)航時長帶來了挑戰(zhàn),以工業(yè)領(lǐng)域的定位標(biāo)簽(UWB)為例,這類產(chǎn)品往往體積較小,可以更方便地部署到叉車等移動工業(yè)設(shè)備、物料倉庫甚至是附加到員工的衣服上,并持續(xù)追蹤這些監(jiān)測對象的實時位置數(shù)據(jù)。這意味著管理員可以監(jiān)控運輸和交付,可以精確跟蹤原材料庫存,可以提高人員安全性并減少召集和救援行動所需的時間。

此外,在功能方面,這類產(chǎn)品又需要提供持續(xù)的高精度追蹤或者緊急按鈕功能。在種種嚴(yán)苛的條件下,產(chǎn)品必須要長期處于低功耗的模式下才能完成相應(yīng)的任務(wù),這無疑對電池尺寸、設(shè)備續(xù)航提出了更高的要求。

工業(yè)定位標(biāo)簽普遍對體積有較高的要求

為了解決這些難題,工程師們也在試圖延長電池的續(xù)航以減少更換頻次,例如近些年大火的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù),憑借對功耗的極度優(yōu)化,可支持終端設(shè)備電池續(xù)航五至八年。但相應(yīng)的,使用者也需要為更久的續(xù)航付出代價,這項技術(shù)之所以能延長電池續(xù)航,主要原因在于其限定了極低的帶寬和數(shù)據(jù)上傳頻次,大多數(shù)LPWAN技術(shù)每天只能發(fā)送少于1,000 字節(jié)的數(shù)據(jù),或每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)少于5,000位。其余時間它大多被迫處于休眠或者低功耗模式,依賴電池提供極低功耗維持運作。

采用此類低功耗技術(shù)的確能夠延長設(shè)備的續(xù)航時長,但低頻次的數(shù)據(jù)傳輸將使管理員對信息的掌握嚴(yán)重滯后,如果監(jiān)測對象是工業(yè)電機、化工管道等對數(shù)據(jù)及時性要求較高的產(chǎn)品時,不同步的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的運營生產(chǎn)事故發(fā)生。

工業(yè)電機意外停機易造成巨大損失

相比芯片、傳感器等元器件的性能更新速度,電池技術(shù)的進(jìn)步迭代顯得尤為緩慢,一部分業(yè)內(nèi)公司開始積極探索其他能為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的方法,比如從環(huán)境中采集各種微弱的能量,并將這些能量轉(zhuǎn)化為電力為后端的低功耗設(shè)備進(jìn)行供電,從而無需受外部電池或者有限電源限制,達(dá)成能量自足的狀態(tài),這種技術(shù)被稱為能量采集技術(shù)。

與傳統(tǒng)采用電池或者布線為設(shè)備進(jìn)行供電的原理不同,能量采集是指通過采集當(dāng)?shù)丨h(huán)境的能量——無論是以光能、溫差能、振動能、射頻能或者其他形式轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù),以這種方式產(chǎn)生的電力可以儲存在電容器或可充電電池中以維持物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)正常工作。

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飛英思特能量采集技術(shù)

憑借在能量采集技術(shù)方面多年的鉆研,飛英思特推出了用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)供電的微能量管理模組,大幅降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電池的依賴,甚至在條件滿足的前提下可實現(xiàn)無源化永久續(xù)航。

不同于電池固有的能量密度,環(huán)境中的能量普遍較微弱且分散,想要采集這些能量本就并非易事,但隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,未來的物聯(lián)設(shè)備應(yīng)用場景肯定是趨向多元化。飛英思特通過對能量采集技術(shù)各個方面的不斷優(yōu)化,目前在光能能量采集領(lǐng)域已創(chuàng)新性地實現(xiàn)了在低至50lux(晴天室外光照度30000lux—130000lux/室內(nèi)日光燈光照度100lux)的低照度環(huán)境下實現(xiàn)取能能量管理效率高達(dá)98%,遠(yuǎn)高于國外企業(yè)同照度下的能量管理效率。

在如此低的光照度下成功實現(xiàn)取能并維持設(shè)備長期可靠運行,也意味著飛英思特所推出的微能管理模組可為更多的弱光場景,例如智能建筑、農(nóng)業(yè)種植、工廠等場所提供無源無線的供電解決方案。此外,無需電池的設(shè)計對于整體投入成本也有著明顯優(yōu)勢,假設(shè)一家工廠采用電池為上萬個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實施管道監(jiān)測進(jìn)行供電,那么后期為這些設(shè)備定期更換電池勢必會產(chǎn)生不菲的人力物力成本,而采用無源無線的供電方案后,將無需如此高頻的維護(hù),可節(jié)約大量成本。

飛英思特模組可為各種場景提供免電池方案

除了能量采集的效率之外,另一個相關(guān)挑戰(zhàn)是設(shè)備的穩(wěn)定運行,而這與能量的收集與管理息息相關(guān),例如太陽能在白天可通過采集可用的陽光實現(xiàn)運行,然而在夜間無光源的情況下,如何保障設(shè)備穩(wěn)定工作成為了問題的關(guān)鍵。得益于精細(xì)化的能量管理技術(shù),飛英思特所推出的微光能管理模組可通過白天持續(xù)捕獲環(huán)境中的微光能,并將多余的能量儲存在電容之中,以便在夜間無光源的情況下支撐設(shè)備正常工作,最終實現(xiàn)無間斷的可靠運行。

為了滿足多元化的應(yīng)用場景,飛英思特還推出了不同系列的微能管理模組,例如REVOMINDS? FEH610是專為光能設(shè)計的微光能管理模組,REVOMINDS? FEH710則是可在±2攝氏度溫差環(huán)境下實現(xiàn)取能的TEG溫差能管理模組,此外,還有REVOMINDS? FEH620,一款可以應(yīng)用于微光能、射頻能、微動能采集和管理的復(fù)合環(huán)境能量管理模組。憑借多能量的采集形式,開發(fā)工程師可利用REVOMINDS? FEH620輕松設(shè)計出能夠采集、管理多種能量源的無源無線產(chǎn)品,這將進(jìn)一步增強產(chǎn)品能量供給來源的多樣化和穩(wěn)定性,提高設(shè)備的運行時長。

飛英思特復(fù)合環(huán)境能量管理模組FEH620

另一方面,得益于微能管理模組高度集成化的設(shè)計,使得模組體積也得到了進(jìn)一步的縮小,不僅消除了電池供電固有的種種弊端,也為后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計節(jié)約了大量的時間成本和BOM成本。工程師只需將換能器(如光伏電池)插入能量收集模組,再將后端電路連接到輸出即可。整個過程無需過多的工程研發(fā),即可快速實現(xiàn)無源產(chǎn)品的原型設(shè)計。例如工業(yè)領(lǐng)域的熱力管道監(jiān)測傳感器、工業(yè)電機監(jiān)測傳感器,智能家居領(lǐng)域的門磁、溫濕度計,零售行業(yè)的電子價簽等各類小型設(shè)備都可以利用飛英思特的無源無線供電方案實現(xiàn)。

隨著數(shù)字化時代的來臨,相信會有越來越多的企業(yè)開始采納免電池的供電方案,這一舉措不僅減少了污染物的產(chǎn)生,其節(jié)約的成本也非常可觀。特別是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速增加勢必會大量提高成本,而這種具備可持續(xù)性且擁有更高性價比的無源供電方案無疑更有優(yōu)勢,能幫助各行各業(yè)低成本完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型,進(jìn)一步提高企業(yè)核心競爭力。

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