物联网数据终端能量获取方式的比较与研究★

梁绍宇，梁思银

（广州华商职业学院，广东 广州 511300）

引言

物联网是一种人和人、人和物、物和物的相互联系、融合和互动的网络系统，一般需要通过传感装置将所需控制的设备、货物和通信网络相连接，通过物联网，物体之间能相互通信，物体可以被远程感知和控制，实现协同工作。物联网数据终端作为物联网连接传感网络层和传输网络层的关键，可以有效完成数据采集和输送的工作。结合目前影响数据终端应用价值的因素，能量获取仍然制约着物联网数据终端的发展，因此，有必要对不同的能量获取方式进行研究，最终选择合理的能量获取方式。

1 能量获取和应用的概念

物联网数据终端需要承担数据采集、数据处理、数据加密和数据传输等工作，结合能量获取技术对物联网数据终端的影响，需要做好能量获取方式的选择工作。目前，有多种能量采集方式，在应用于物联网数据终端时有着不同的效果，结合能量采集方法在传感器节点上的应用，见图1，并具有以下特点：一是物联网终端传感器会从节点周围的环境中获得可利用的能源，在对应能量采集技术的支持下，不断转换为电能，分别送至能量管理和存储模块。传感器节点工作时，管理模块和储存模块会为节点中的各个元器件提供电能支持。元器件通常包括模数转换器、处理器、存储器和射频收发器等。二是当互联网终端传感器节点通过能量获取技术进行能源采集时，在不同因素的影响下，能量采集效率和电能转化效率也会不同。因此，需要参考不同能量获取方式的优缺点，选择更合理的获取方式。下面会对五类能量获取方式进行阐述分析，选出更适合数据终端使用的能量获取方式，在高效的能量获取和电能转化下，保证传感器节点正常工作并提高物联网数据终端的使用寿命[1]。

图1 互联网终端传感器节点的能量采集与应用

2 不同能量获取方式的性能分析和比较

对物联网数据终端的应用情况进行分析发现，数据终端所处的环境差别很大，同一种能量获取方式在不同的环境下有着不同的供电效果。因此，如何有效选择能量获取技术，便成为物联网数据终端有效应用的关键。下面将对各种能量获取技术，结合不同的环境进行电能转换率的分析，从而为物联网数据终端的能量采集方式提供数据参考，确保数据终端可以发挥应有的价值[2]。

2.1 振动能量采集

振动是一种生产、生活中常见的现象，在机械运转、汽车运行等方面的振动特征尤为明显，结合汽车、飞机、机械和桥梁等方面是物联网终端传感器节点应用的重点领域。因此，可以考虑将振动能量采集的技术应用在上述领域中。振动能量采集本质上是通过振动将振动能转换为电能，可以安装在较小的空间中，例如车门、马达机座中，同时，也可以安装在桥梁和建筑物中，应用范围较广泛。需要注意的是，终端传感器节点在应用振动能量采集方式下，可以忽略电池安装、电线设计和通信布线工作，能在缺乏维护下长期工作。

目前市面中关于振动能量采集技术的研究包括压电式、静电式和电磁式。压电式发电机具有能量密度大、结构简单和体积小的特点，成为目前应用振动能量采集中应用面最广的技术。压电材料和振动频率是影响压电式发电机电压和能量输出的关键，当压电材料尺寸小时，压电效率会较高，且材料厚度控制在21～23 nm时，压电效率可以达到100%。振动频率和振动力也会影响电量输出，前者跟电量输出成线性关系，后者跟电量输出成指数关系，因此，可以确认振动微弱或振动频率失稳时，就会限制物联网数据终端电源的正常供应[3]。

2.2 热能采集

热能跟太阳能有着明显区别，主要有物体本身发出的热量、机械设备运行发出的热量和空气中的热量等方面。其原理是将环境中的温差转换为电势，然后利用热源中的废热转化为电能，最终为物联网数据终端提供电能。热能采集技术可以用于在无可插电源的低功耗数据终端中，同时也可以用于微小短程通讯装置、低功耗传感器节点和生理学研究仪器等方面。一般实际使用热能采集技术时，会参考热源的稳定性和能量高低，选择直接使用和作为电池充电的方式使用。

热能采集技术在应用中受到热源稳定性的影响较大，缺乏稳定的热源，热能采集效果差，无法发挥供电的效果。值得注意的是，影响热能采集技术应用价值的因素很多，不仅有热源的稳定性，还有导热性和热阻率。当热能采集器进行热能采集时，必然会涉及到热流量的输入输出，因此，需要热能采集器有较高的导热性。同时，为了避免热流量对热力学特征的影响，还要有良好的散热性。

2.3 射频能量采集

目前，射频能在社会发展和日常生活中发挥着重要作用，如电视信号和手机信号塔，便是借助高频电磁波完成射频能量的传递。通过射频能量采集方式为物联网数据终端进行能量服务时，一般是通过天线完成对周围射频能的收集，进而将其转换为电信号，最终生成直流电，满足数据移动终端的需要。为了发挥射频能量采集的效果，往往要安排在WiFi路由网络和多发射机广域覆盖的移动基站上，可以满足移动数据终端的电能服务。此外，也可以用于无线传感器中的HVAC供电和能源管理，效果显著。

射频能在运行上不受自然条件的影响，与振动能、热能和太阳能等能量采集方式不同，不会受到振动力大小频率、光照强度和热源的影响。在低光照和无光照的地方，也能将环境中的射频能转化为电能，确保物联网数据终端有充足的电力。由于射频能空间密度较低，在能量源距离逐渐增大的情况下,会降低环境中的射频能含量，因此,需要将具有能量采集功能的物联网数据终端安置在靠近基站的位置[4]。

2.4 太阳能采集

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源，既可以应用在高山、陆地，也能应用在海洋、岛屿，不仅可直接开发、无需开采，也有节能环保的优势，可以应对日渐严重的环境污染问题。目前，太阳能较多应用在农业、工业、交通和商业等领域，在一些偏远地区和环境较为危险的地区，会在物联网数据终端的电能供应上选择太阳能采集方式，满足供电需要。

常见的太阳能采集器件为太阳能电池形式，当阳光射到太阳能电池表面后，内部硅材料可以吸收光子的能量，使电子发生跃迁成为自由电子，在P-N结两侧聚集出现电位差后，如果外部接通电路，就会在电压的作用下产生电流，并且有一定的输出功率。目前市面中的太阳能电池大体分为非晶体硅太阳能电池和多晶体硅太阳能电池，一般多晶体硅的太阳能电池电能转化效率为10%～17%，而非晶体硅的太阳能电池电能转化效率为8%左右，由于非晶体硅太阳能电池成本低，实际应用更加广泛，适用于低功耗的数据终端传感器节点。

虽然太阳能有着较多的应用优势，但太阳能具有不稳定性和分散性，在数据终端传感器节点位于背光面或者遇到阴雨天气时，电能的转化效率就很低。可以通过增大太阳能采集器的存储能力和光照面积，更好地将低密度的光能转化为电能，确保物联网数据终端可以得到充足的电能支持。

2.5 风能、潮汐能采集

目前风能、潮汐能等其他能源的采集和应用还在研究和实践中，在应用范围、使用价值、应用难度和成本上都存在一定的缺陷。因此，本文重点阐述振动能量、热能、射频能量和太阳能的采集与应用。

3 能量获取方式的比较选择

3.1 能量密度

以能量密度比较为例，当振动资源较丰富时，可以使用振动采集方式。当环境中的热源较为稳定时，可以使用热能采集方式。当在沙漠等光照充足的地方，可以使用太阳能采集方式。当在无线电信号密集的区域中，可以使用射频能量采集方式。

3.2 输出功率

不同的能量采集方式在不同的环境中有着不同的输出功率，如表1所示。

表1 不同能量采集方式的输出功率

3.3 成本

当环境中的能源种类较多时，需要进行电能转换率、成本方面的比较。一般在光照充足、射频能丰富的区域，增加太阳能板面积可以提高太阳能采集的电能转换率。在射频能密度较大时，可以选择射频能采集方式为物联网传感器提供电能，且具有成本低、电能转换率高的优势。

4 结语

结合物联网数据终端的应用价值和所处的工作环境，通过选择合理的能量获取方式，可以更有效地为数据终端提供电能支持。通过分析振动能量、热能、射频能量和太阳能等能源的采集与应用，对比不同能源获取方式的优缺点，选择成本低、性价比高的能源提供方案。射频能采集方式具有成本低、电能转换率高的优势。结合不同条件合理选择能量采集方式，既可以解决无可插电源和电池储电有限的问题，也能在高电能转化率下满足终端需要，并且延长终端寿命，有着较高的应用价值。