物联网数据终端能量获取方式的比较与研究

引言

物联网（Internet of Things）是为实现某种目的，把各种安装了传感装置（包括传感器、RFID装置等）的设备、货物和基础设施与通信网络连接起来，使这些物体能够相互进行通信和共同工作，同时能被远程感知和控制，从而实现人与人、人与物以及物与物的互联、相融与互动的网络系统。物联网系统可以广泛应用在军事、交通、电力、环保、市政、物流、家居等领域，以提高资源利用率和生产力水平，通过更加精细和动态的方式管理生产和生活。物联网数据终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现数据采集及向网络层发送数据的设备。它担负着数据釆集、初步处理、加密、传输等多种功能。能量获取技术是物联网的关键技术之一,在无可用电源和电源能量有限的情况下，如何获得足够的电能以及如何有效利用有限的电能，已成为物联网数据终端能否正常工作的关键。因此，怎样和如何获取有效能量，也是物联网数据终端在技术上急需解决的问题。通过能量采集技术山可以采集环境中的能量（如:振动能、太阳能、热能、射频能等）并将其转化为电能，以供物联网数据终端工作使用,从而实现物联网数据终端的能量自给，解决其能量再生问题。本文针对物联网数据终端的能量问题，对不同能量采集技术在能量来源、适用范围、成本等方面进行了分析比较，提出了选择性价比比较高的能量采集方案的具体原则，以实现物联网数据终端的能量自给，达到降低系统成本的目的。

1 能量的釆集和使用

图1所示为物联网终端传感器节点的能量采集与使用原理框图。物联网终端传感器节点从其所处的周围环境中收集可利用的能源，并将其转换为电能传输到能量存储与管理模块，当节点工作时，能量存储与管理模块中的电能经传输到达节点上的各个元器件处（例如模数转换器、处理器、存储器、射频收发器等⑴,供其工作使用，以满足物联网数据终端对电源的需求,实现物联网数据终端的能量自给。

由图1可知,物联网终端传感器节点可以收集环境中的各种能源，且不同能源有不同的采集方式。因此，当物联网终端传感器节点处于某一环境时，是否能够得到足够的电能,直接取决于能量采集方式和电能的转化效率，所以需要根据其环境中的能源特点，来选择最有效的能量釆集方式。下面对多种能量采集技术的性能特点进行分析比较，以便在某一特定环境下选定能量采集方式,并将其高效地转化为电能,从而保证物联网传感器节点正常的工作，延长物联网数据终端的生命周期。

2  能量釆集技术性能分析

物联网数据终端所处的环境不同,环境中的可用能源就不同，且同一能量采集方式在不同环境中的电能转化率也有差异。所以，如何选择有效的能量采集方式是传感器节点电源选择的关键。针对这一问题,并结合环境中能量的特点，可对各能量采集技术的性能进行分析，以便为物联网数据终端选择电能转化率比较高的能量采集方式，保证其持续地工作，延长其寿命。

2.1  振动能量采集

振动是一种广泛存在的现象，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中，而这些场合往往又是物联网终端传感器节点应用的重点领域。振动能量采集就是传感器节点采集机械、车辆、楼宇以及桥梁等其它建筑架构产生的振动能,并将其转换为电能，用于自身工作的一种能量采集技术。

具有振动能采集功能的小型传感器节点可安装到车门、电动马达基座等狭小空间中，还可安装到大型机械、建筑物或桥梁等场合中。传感器节点在这里无需电池、电源线路或通信布线即可持续工作，而且能够在不需要维护的情况下无限期的工作。

目前，振动能采集方式有压电式、电磁式和静电式，其中压电式发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化,而且压电式振动能采集设备具有体积小、绿色无污染等优点，因此，压电式能量采集已成为最常用的振动能量采集方式西。影响压电式振动能采集输出电压和能量的因素是压电材料和振动频率。压电材料尺寸越小,压电效率越高，当它们的厚度介于20〜23nm之间时，其压电效率可提高100%,但其成本会很高；电量输出和振动频率增加成线性关系，同振动力的增加成指数关系，因此，当振动微弱或振动频率不稳定时，就可能无法为物联网数据终端提供足够的电源。

2.2  太阳能采集

太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”，既节能又环保的新能源，无论是陆地、海洋、高山或岛屿，处处皆有,无地域的限制，且无需开采和运输，可直接开发利用。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能,将转化后的电能用于物联网数据终端工作的一种能量采集技术。此技术可以解决不可再生资源的枯竭，能源的紧缺，环境污染等问题。

太阳能采集可用于工业、交通、农业以及商业等多领域,尤其在光照充足的偏远地区和危险环境区，开发人员可以构建基于太阳能的自供电物联网数据终端,从而无需定期花费时间与金钱进行可插电源维护和电池更换。最常见的太阳能采集器件就是太阳能电池，当光线照射太阳能电池表面时，太阳能电池的硅材料可吸收光子的能量，使电子发生跃迁,成为自由电子，从而在P-N结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，就会有电流流过外部电路并产生一定的输出功率。太阳能电池分为多晶体硅太阳能电池和非晶体硅太阳能电池，多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为11%〜16%,非晶硅电池的效率只有多晶硅的一半(8%),但非晶硅的应用仍很普遍，因为它的成本要比多晶硅的低一个数量级，因而适合于大批量消费、低功耗电子器件。物联网数据终端的传感器节点一般都属于低功耗器件，且电压受限，目前使用的是非晶硅电池，这样不但可实现物联网数据终端的能量自给，而且还可节约系统成本。

虽然太阳能来源广泛，但是太阳能具有分散性和不稳定性。当物联网数据终端传感器节点处于太阳能密度很低或阴影区时,太阳能采集技术的电能转化率很低。要想保证有足够的电能，就必须增加太阳能采集器的存储能力和光照面积，以便将低密度的光能高效地转化为电能，为物联网数据终端提供充足的电能。然而，存储能力、光照面积和转化率的提高又会大大增加系统成本，故在使用时要慎重考虑。