物聯網數據終端能量獲取方式的比較與研究★

梁紹宇，梁思銀

（廣州華商職業學院，廣東 廣州 511300）

引言

物聯網是一種人和人、人和物、物和物的相互聯系、融合和互動的網絡系統，一般需要通過傳感裝置將所需控制的設備、貨物和通信網絡相連接，通過物聯網，物體之間能相互通信，物體可以被遠程感知和控制，實現協同工作。物聯網數據終端作為物聯網連接傳感網絡層和傳輸網絡層的關鍵，可以有效完成數據采集和輸送的工作。結合目前影響數據終端應用價值的因素，能量獲取仍然制約著物聯網數據終端的發展，因此，有必要對不同的能量獲取方式進行研究，最終選擇合理的能量獲取方式。

1 能量獲取和應用的概念

物聯網數據終端需要承擔數據采集、數據處理、數據加密和數據傳輸等工作，結合能量獲取技術對物聯網數據終端的影響，需要做好能量獲取方式的選擇工作。目前，有多種能量采集方式，在應用于物聯網數據終端時有著不同的效果，結合能量采集方法在傳感器節點上的應用，見圖1，并具有以下特點：一是物聯網終端傳感器會從節點周圍的環境中獲得可利用的能源，在對應能量采集技術的支持下，不斷轉換為電能，分別送至能量管理和存儲模塊。傳感器節點工作時，管理模塊和儲存模塊會為節點中的各個元器件提供電能支持。元器件通常包括模數轉換器、處理器、存儲器和射頻收發器等。二是當互聯網終端傳感器節點通過能量獲取技術進行能源采集時，在不同因素的影響下，能量采集效率和電能轉化效率也會不同。因此，需要參考不同能量獲取方式的優缺點，選擇更合理的獲取方式。下面會對五類能量獲取方式進行闡述分析，選出更適合數據終端使用的能量獲取方式，在高效的能量獲取和電能轉化下，保證傳感器節點正常工作并提高物聯網數據終端的使用壽命[1]。

圖1 互聯網終端傳感器節點的能量采集與應用

2 不同能量獲取方式的性能分析和比較

對物聯網數據終端的應用情況進行分析發現，數據終端所處的環境差別很大，同一種能量獲取方式在不同的環境下有著不同的供電效果。因此，如何有效選擇能量獲取技術，便成為物聯網數據終端有效應用的關鍵。下面將對各種能量獲取技術，結合不同的環境進行電能轉換率的分析，從而為物聯網數據終端的能量采集方式提供數據參考，確保數據終端可以發揮應有的價值[2]。

2.1 振動能量采集

振動是一種生產、生活中常見的現象，在機械運轉、汽車運行等方面的振動特征尤為明顯，結合汽車、飛機、機械和橋梁等方面是物聯網終端傳感器節點應用的重點領域。因此，可以考慮將振動能量采集的技術應用在上述領域中。振動能量采集本質上是通過振動將振動能轉換為電能，可以安裝在較小的空間中，例如車門、馬達機座中，同時，也可以安裝在橋梁和建筑物中，應用范圍較廣泛。需要注意的是，終端傳感器節點在應用振動能量采集方式下，可以忽略電池安裝、電線設計和通信布線工作，能在缺乏維護下長期工作。

目前市面中關于振動能量采集技術的研究包括壓電式、靜電式和電磁式。壓電式發電機具有能量密度大、結構簡單和體積小的特點，成為目前應用振動能量采集中應用面最廣的技術。壓電材料和振動頻率是影響壓電式發電機電壓和能量輸出的關鍵，當壓電材料尺寸小時，壓電效率會較高，且材料厚度控制在21～23 nm時，壓電效率可以達到100%。振動頻率和振動力也會影響電量輸出，前者跟電量輸出成線性關系，后者跟電量輸出成指數關系，因此，可以確認振動微弱或振動頻率失穩時，就會限制物聯網數據終端電源的正常供應[3]。

2.2 熱能采集

熱能跟太陽能有著明顯區別，主要有物體本身發出的熱量、機械設備運行發出的熱量和空氣中的熱量等方面。其原理是將環境中的溫差轉換為電勢，然后利用熱源中的廢熱轉化為電能，最終為物聯網數據終端提供電能。熱能采集技術可以用于在無可插電源的低功耗數據終端中，同時也可以用于微小短程通訊裝置、低功耗傳感器節點和生理學研究儀器等方面。一般實際使用熱能采集技術時，會參考熱源的穩定性和能量高低，選擇直接使用和作為電池充電的方式使用。

熱能采集技術在應用中受到熱源穩定性的影響較大，缺乏穩定的熱源，熱能采集效果差，無法發揮供電的效果。值得注意的是，影響熱能采集技術應用價值的因素很多，不僅有熱源的穩定性，還有導熱性和熱阻率。當熱能采集器進行熱能采集時，必然會涉及到熱流量的輸入輸出，因此，需要熱能采集器有較高的導熱性。同時，為了避免熱流量對熱力學特征的影響，還要有良好的散熱性。

2.3 射頻能量采集

目前，射頻能在社會發展和日常生活中發揮著重要作用，如電視信號和手機信號塔，便是借助高頻電磁波完成射頻能量的傳遞。通過射頻能量采集方式為物聯網數據終端進行能量服務時，一般是通過天線完成對周圍射頻能的收集，進而將其轉換為電信號，最終生成直流電，滿足數據移動終端的需要。為了發揮射頻能量采集的效果，往往要安排在WiFi路由網絡和多發射機廣域覆蓋的移動基站上，可以滿足移動數據終端的電能服務。此外，也可以用于無線傳感器中的HVAC供電和能源管理，效果顯著。

射頻能在運行上不受自然條件的影響，與振動能、熱能和太陽能等能量采集方式不同，不會受到振動力大小頻率、光照強度和熱源的影響。在低光照和無光照的地方，也能將環境中的射頻能轉化為電能，確保物聯網數據終端有充足的電力。由于射頻能空間密度較低，在能量源距離逐漸增大的情況下,會降低環境中的射頻能含量，因此,需要將具有能量采集功能的物聯網數據終端安置在靠近基站的位置[4]。

2.4 太陽能采集

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的能源，既可以應用在高山、陸地，也能應用在海洋、島嶼，不僅可直接開發、無需開采，也有節能環保的優勢，可以應對日漸嚴重的環境污染問題。目前，太陽能較多應用在農業、工業、交通和商業等領域，在一些偏遠地區和環境較為危險的地區，會在物聯網數據終端的電能供應上選擇太陽能采集方式，滿足供電需要。

常見的太陽能采集器件為太陽能電池形式，當陽光射到太陽能電池表面后，內部硅材料可以吸收光子的能量，使電子發生躍遷成為自由電子，在P-N結兩側聚集出現電位差后，如果外部接通電路，就會在電壓的作用下產生電流，并且有一定的輸出功率。目前市面中的太陽能電池大體分為非晶體硅太陽能電池和多晶體硅太陽能電池，一般多晶體硅的太陽能電池電能轉化效率為10%～17%，而非晶體硅的太陽能電池電能轉化效率為8%左右，由于非晶體硅太陽能電池成本低，實際應用更加廣泛，適用于低功耗的數據終端傳感器節點。

雖然太陽能有著較多的應用優勢，但太陽能具有不穩定性和分散性，在數據終端傳感器節點位于背光面或者遇到陰雨天氣時，電能的轉化效率就很低?？梢酝ㄟ^增大太陽能采集器的存儲能力和光照面積，更好地將低密度的光能轉化為電能，確保物聯網數據終端可以得到充足的電能支持。

2.5 風能、潮汐能采集

目前風能、潮汐能等其他能源的采集和應用還在研究和實踐中，在應用范圍、使用價值、應用難度和成本上都存在一定的缺陷。因此，本文重點闡述振動能量、熱能、射頻能量和太陽能的采集與應用。

3 能量獲取方式的比較選擇

3.1 能量密度

以能量密度比較為例，當振動資源較豐富時，可以使用振動采集方式。當環境中的熱源較為穩定時，可以使用熱能采集方式。當在沙漠等光照充足的地方，可以使用太陽能采集方式。當在無線電信號密集的區域中，可以使用射頻能量采集方式。

3.2 輸出功率

不同的能量采集方式在不同的環境中有著不同的輸出功率，如表1所示。

表1 不同能量采集方式的輸出功率

3.3 成本

當環境中的能源種類較多時，需要進行電能轉換率、成本方面的比較。一般在光照充足、射頻能豐富的區域，增加太陽能板面積可以提高太陽能采集的電能轉換率。在射頻能密度較大時，可以選擇射頻能采集方式為物聯網傳感器提供電能，且具有成本低、電能轉換率高的優勢。

4 結語

結合物聯網數據終端的應用價值和所處的工作環境，通過選擇合理的能量獲取方式，可以更有效地為數據終端提供電能支持。通過分析振動能量、熱能、射頻能量和太陽能等能源的采集與應用，對比不同能源獲取方式的優缺點，選擇成本低、性價比高的能源提供方案。射頻能采集方式具有成本低、電能轉換率高的優勢。結合不同條件合理選擇能量采集方式，既可以解決無可插電源和電池儲電有限的問題，也能在高電能轉化率下滿足終端需要，并且延長終端壽命，有著較高的應用價值。