摘要：面臨日漸增長的物聯(lián)網連接需求，以電池為主要供電形式的傳感器節(jié)點正逐漸暴露出它的種種弊端，如何解決這些問題，飛英思特給出了自己的答案。

為了提高物聯(lián)網網絡的構建效率，采用電池為物聯(lián)網終端供電已成為當下的主流模式，但電池的續(xù)航畢竟是有限的，提供便捷安裝的同時也意味著需要定期更換電池來保障傳感器網絡的正常運行，這大大的限制了物聯(lián)網的增長速度。

現(xiàn)實生活中遍布著數(shù)以億級的傳感器

設想一下，當數(shù)十甚至上百億的傳感器都采用電池供電時，維護產生的人力物力成本將達一個不可預估的數(shù)目，而這還只是經濟方面的支出。英國知名研究公司IDTechEx在其《Battery Elimination in Electronics and Electrical Engineering 2018-2028》研究報告中指出：如果必須更換電池，物聯(lián)網節(jié)點就無法部署數(shù)千億，更是至少有80%的物聯(lián)網價值遭到破壞。主要原因是手動維護需求、有限的續(xù)航和節(jié)能技術導致的數(shù)據(jù)空白，以及為此類傳感器供電所生產和處置都對環(huán)境造成危害的大量電池。

實際上，電池供電的傳感器在物聯(lián)網高速發(fā)展過程中所面臨的困難還遠不止以上幾種，一些隱性的問題也在客觀影響著傳感器的續(xù)航和穩(wěn)定性，如果不盡早解決這些難題，將對物聯(lián)網產業(yè)未來的發(fā)展產生重大影響。

01：電池供電的傳感器需要手動維護

為傳感器供電的電池續(xù)航是有限的，為了保障傳感器網絡的正常工作，所有的電池都需要定期更換。根據(jù)分析師預測的數(shù)據(jù)顯示：假設我們?yōu)槿f億數(shù)量的傳感器搭載一個可續(xù)航10年的電池，那么我們每天需要更換274,000,000塊電池才能保持傳感器網絡正常運行，如果電池續(xù)航縮減為3年，每天更換的電池數(shù)量將接近10億次。而且整個過程目前仍需人工手動完成，這將帶來持續(xù)的人力成本和材料成本支出。

電池供電的各類表計需要定期更換電池

更嚴重的是，頻繁的更換電池破壞了連接傳感器的核心價值，企業(yè)部署物聯(lián)網傳感器的主要原因之一就是這些設備可以幫助企業(yè)消除設備、機械及管道或其他資產的自動化監(jiān)測。但如果這些傳感器本身依舊需要人為定期維護以確保其正常運行，那么實施自動化監(jiān)測的意義將大大降低。

02：電池有限續(xù)航可能導致數(shù)據(jù)缺口

電池供電的傳感器必將面臨電量耗盡的情況，停止工作的傳感器將不會上傳任何數(shù)據(jù)至后臺，除非運維團隊能夠提前發(fā)現(xiàn)傳感器電池電量即將耗盡，并準確掌握傳感器位置信息并進行及時更換，否則企業(yè)將徹底丟失傳感器在此期間所采集的全部數(shù)據(jù)。

監(jiān)測電力塔的傳感器續(xù)航耗盡可能導致風險

其次，由于企業(yè)或者工廠普遍利用傳感器來進行關乎安全或者重要設備數(shù)據(jù)的監(jiān)測和傳輸，電池的耗盡極有可能造成人身傷害或者資產方面的重大損失。

03：傳感器通常較低頻次地傳輸數(shù)據(jù)

實時性是物聯(lián)網傳感器的核心能力之一，樂觀的情況下，企業(yè)在關鍵位置所部署的傳物聯(lián)網設備，例如安裝在化工廠管道節(jié)點位置以持續(xù)監(jiān)測有毒物質是否泄露的傳感器，應該非常頻繁地上傳數(shù)據(jù)，但現(xiàn)實當中卻并非都如此。

為了延長電池的續(xù)航時長，許多物聯(lián)網傳感器所配置的數(shù)據(jù)更新頻次極低，有時甚至是每10天乃至更久才傳輸一次數(shù)據(jù)。這將導致管理人員無法準確掌握被監(jiān)測設備的實時運行狀態(tài)，隨著時間的不斷推移，這些滯后的數(shù)據(jù)將大大提高誤判的可能性，不僅無法體現(xiàn)物聯(lián)網實時感知的特點，還給企業(yè)的生產運營帶來了極大的安全隱患。

04：物理尺寸會限制傳感器功能

在構成物聯(lián)網傳感器的眾多分立元件中，電池的體積是最大的，這主要是為了保障設備擁有足夠的續(xù)航時長。但電池較大的尺寸和重量通常會限制傳感器的實用性，例如電子標簽、電子卡牌此類對重量和大小極其敏感的產品，就很難采用這一方案。

電池體積極大限制了產品小型化設計

其次，過大的電池使得小尺寸的產品開發(fā)也充滿種種挑戰(zhàn)，在產品體積的限制下，產品開發(fā)工程師必須在減少電池大小或者縮減功能兩方面做出選擇，但這樣做很難保障產品不損失既定的續(xù)航時長和功能需求。

05：潛在的健康隱患和環(huán)境污染

憑借重量輕、續(xù)航久等優(yōu)點，鋰電池如今已成為物聯(lián)網傳感器供電的首選。但帶來了便捷的同時，這些鋰電池也由于其潛在的有毒材料，對人類健康及自然環(huán)境都造成了嚴重的威脅。

面對不斷涌現(xiàn)的電池需求，生產商勢必需要大量開采鋰、鈷、鎳、錳和石墨等生產鋰電池的關鍵原材料，整個過程不僅需要消耗大量的能源和水，同時還經常對當?shù)丨h(huán)境造成化學污染和地質破壞。其次，電池在生產和廢棄處置環(huán)節(jié)中意外浸出的鈷、銅和其他物質也對人體健康直接構成危害。

原材料開采對生態(tài)造成巨大破壞

另一方面，電池原材料的無限制開采也不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，客觀原因之一是材料資源儲備是有限的，當?shù)厍蛏显贌o材料時，物聯(lián)網將面臨無電池可用的窘境。

06：限制傳感器的“摩爾定律”

近些年，物聯(lián)網傳感器的性能無論是在智能化、集成度等方面都得到了顯著的提升，但值得注意的是，為這些設備供電的電池長時間以來性能升級的速度卻極為緩慢。

美國克萊姆森大學在《精密的無電池感應》這一論文中指出，與其他技術領域不同，摩爾定律（半導體性能大約每18個月翻番）不適用于電池技術生產和研究中使用的化學和制造工藝。

電池性能進步速度遠低于半導體性能迭代速度

隨著二十世紀末微電子技術的發(fā)展，鋰電池得到大規(guī)模應用，其性能進一步提升，續(xù)航更加持久，重量也有了大幅降低，但從整體來看，電池各方面性能的進步每年最多只有幾個百分點，遠遠不足以跟上總體計算能力的進步，難以支撐物聯(lián)網設備不斷增長的需求。

07：元件差異限制續(xù)航時長

當前，大部分的物聯(lián)網設備都是通過高度集成化而來，設備中的數(shù)據(jù)傳感、處理、內存及通信等模塊都需要電池模塊供電以保障正常工作，但值得注意的是，不同廠商所開發(fā)的元器件對于功耗的優(yōu)化處理是存在差異的，當這些元件被集成在一起之后，對于設備的整體續(xù)航時長必然會存在影響。

特別是近些年，市場更加青睞續(xù)航更長的設備，一些廠商為了提高自身產品的競爭力，積極開發(fā)“超低功耗”的無線物聯(lián)網傳感器元件，例如微控制器（MCU）就是為低功耗而設計的，它也的確能為延長續(xù)航做出貢獻，但如果掃描器、溫濕度計傳感器或游戲設備的芯片并非如此，哪怕是經過了高度集成化的處理，利用電池供電的傳感器網絡續(xù)航時長依舊無法得到顯著提升。

08：獨立元器件導致傳感器性能不佳

除了續(xù)航時長，不同元件所構建的傳感器還存在另外一個問題，即這些傳感器缺乏整體的協(xié)同能力。試想一下，當某個無線傳感器中的數(shù)據(jù)處理能力已經超過其最大的負荷，但由于傳感器系統(tǒng)由獨立的硬件和軟件組成，彼此之間難以無縫通信，甚至無法發(fā)起相關問題的警報，管理人員無從得知自然也無法即時解決此類問題。傳感器將繼續(xù)超負荷工作，輕則任務失敗自動停機，重則設備損毀數(shù)據(jù)丟失。

獨立元件構建的傳感器可能導致性能不佳

雖然此類問題很棘手，但并非無法解決，試想一下，當整個物聯(lián)網網絡被構建成一個統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)，從供電到數(shù)據(jù)采集再到數(shù)據(jù)傳輸，所有部分都實現(xiàn)協(xié)同工作之后，一旦某個處理器發(fā)生超負載的情況，系統(tǒng)完全可以將負載轉移到系統(tǒng)中負擔較輕的區(qū)域，繼而保證設備能一直正常工作，但這一切的前提必須是可靠的供電作為基礎。

微能管理模組/芯片解決電池續(xù)航難題

為了滿足不斷涌現(xiàn)的市場需求，一舉解決電池帶來的種種難題，飛英思特結合自研的先進能量采集技術及微能量管理技術，推出了微能量管理模組和微能量管理芯片，為客戶帶來更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集傳輸和更低功耗的供電解決方案。

微能管理模組/芯片具備復合環(huán)境能量采集能力，通過采集環(huán)境中的微光能、射頻能、微動能、溫差能（TEG）進行發(fā)電，使得設備在使用過程中無需更換電池，條件滿足的前提下甚至還可以實現(xiàn)設備生命周期內的無電池永久續(xù)航，消除了維護設備和頻繁更換電池所帶來的高昂人力物力成本。

飛英思特能量采集技術

此外，憑借高度集成化的設計，飛英思特所提供的供電解決方案還大幅降低了后續(xù)的開發(fā)難度，產品開發(fā)工程師無需進行繁重的集成工作，只需簡單地將換能器插入微能管理模組/芯片，再將后端電路連接到輸出即可完成無源產品的原型設計，為企業(yè)快速搶占市場奪得先機。

通過這些技術優(yōu)勢，除了可解決電池供電的種種不足，飛英思特微能管理模組/芯片還極大拓寬了物聯(lián)網低功耗設備的應用領域，例如醫(yī)療身份卡、物品信息標簽等對體積、續(xù)航、效率要求更高的產品。

縱觀整個行業(yè)來看，電池的確極大束縛了物聯(lián)網的發(fā)展，但作為全球領先的無源無線技術和產品提供商，飛英思特正努力通過創(chuàng)新的供電方案解決這一難題，期待最終讓各個行業(yè)的低功耗設備都能實現(xiàn)免維護免電池運行，并幫助降低物聯(lián)網電池對生態(tài)造成的破壞。