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摘要：面临日渐增长的物联网连接需求，以电池为主要供电形式的传感器节点正逐渐暴露出它的种种弊端，如何解决这些问题，飞英思特给出了自己的答案。
为了提高物联网网络的构建效率，采用电池为物联网终端供电已成为当下的主流模式，但电池的续航毕竟是有限的，提供便捷安装的同时也意味着需要定期更换电池来保障传感器网络的正常运行，这大大的限制了物联网的增长速度。
![]() 现实生活中遍布着数以亿级的传感器
设想一下，当数十甚至上百亿的传感器都采用电池供电时，维护产生的人力物力成本将达一个不可预估的数目，而这还只是经济方面的支出。英国知名研究公司IDTechEx在其《Battery Elimination in Electronics and Electrical Engineering 2018-2028》研究报告中指出：如果必须更换电池，物联网节点就无法部署数千亿，更是至少有80%的物联网价值遭到破坏。主要原因是手动维护需求、有限的续航和节能技术导致的数据空白，以及为此类传感器供电所生产和处置都对环境造成危害的大量电池。
实际上，电池供电的传感器在物联网高速发展过程中所面临的困难还远不止以上几种，一些隐性的问题也在客观影响着传感器的续航和稳定性，如果不尽早解决这些难题，将对物联网产业未来的发展产生重大影响。
01：电池供电的传感器需要手动维护
为传感器供电的电池续航是有限的，为了保障传感器网络的正常工作，所有的电池都需要定期更换。根据分析师预测的数据显示：假设我们为万亿数量的传感器搭载一个可续航10年的电池，那么我们每天需要更换274,000,000块电池才能保持传感器网络正常运行，如果电池续航缩减为3年，每天更换的电池数量将接近10亿次。而且整个过程目前仍需人工手动完成，这将带来持续的人力成本和材料成本支出。
![]() 电池供电的各类表计需要定期更换电池
更严重的是，频繁的更换电池破坏了连接传感器的核心价值，企业部署物联网传感器的主要原因之一就是这些设备可以帮助企业消除设备、机械及管道或其他资产的自动化监测。但如果这些传感器本身依旧需要人为定期维护以确保其正常运行，那么实施自动化监测的意义将大大降低。
02：电池有限续航可能导致数据缺口
电池供电的传感器必将面临电量耗尽的情况，停止工作的传感器将不会上传任何数据至后台，除非运维团队能够提前发现传感器电池电量即将耗尽，并准确掌握传感器位置信息并进行及时更换，否则企业将彻底丢失传感器在此期间所采集的全部数据。
![]() 监测电力塔的传感器续航耗尽可能导致风险
其次，由于企业或者工厂普遍利用传感器来进行关乎安全或者重要设备数据的监测和传输，电池的耗尽极有可能造成人身伤害或者资产方面的重大损失。
03：传感器通常较低频次地传输数据
实时性是物联网传感器的核心能力之一，乐观的情况下，企业在关键位置所部署的传物联网设备，例如安装在化工厂管道节点位置以持续监测有毒物质是否泄露的传感器，应该非常频繁地上传数据，但现实当中却并非都如此。
为了延长电池的续航时长，许多物联网传感器所配置的数据更新频次极低，有时甚至是每10天乃至更久才传输一次数据。这将导致管理人员无法准确掌握被监测设备的实时运行状态，随着时间的不断推移，这些滞后的数据将大大提高误判的可能性，不仅无法体现物联网实时感知的特点，还给企业的生产运营带来了极大的安全隐患。
04：物理尺寸会限制传感器功能
在构成物联网传感器的众多分立元件中，电池的体积是最大的，这主要是为了保障设备拥有足够的续航时长。但电池较大的尺寸和重量通常会限制传感器的实用性，例如电子标签、电子卡牌此类对重量和大小极其敏感的产品，就很难采用这一方案。
![]() 电池体积极大限制了产品小型化设计
其次，过大的电池使得小尺寸的产品开发也充满种种挑战，在产品体积的限制下，产品开发工程师必须在减少电池大小或者缩减功能两方面做出选择，但这样做很难保障产品不损失既定的续航时长和功能需求。
05：潜在的健康隐患和环境污染
凭借重量轻、续航久等优点，锂电池如今已成为物联网传感器供电的首选。但带来了便捷的同时，这些锂电池也由于其潜在的有毒材料，对人类健康及自然环境都造成了严重的威胁。
面对不断涌现的电池需求，生产商势必需要大量开采锂、钴、镍、锰和石墨等生产锂电池的关键原材料，整个过程不仅需要消耗大量的能源和水，同时还经常对当地环境造成化学污染和地质破坏。其次，电池在生产和废弃处置环节中意外浸出的钴、铜和其他物质也对人体健康直接构成危害。
![]() 原材料开采对生态造成巨大破坏
另一方面，电池原材料的无限制开采也不利于可持续发展战略，客观原因之一是材料资源储备是有限的，当地球上再无材料时，物联网将面临无电池可用的窘境。
06：限制传感器的“摩尔定律”
近些年，物联网传感器的性能无论是在智能化、集成度等方面都得到了显著的提升，但值得注意的是，为这些设备供电的电池长时间以来性能升级的速度却极为缓慢。
美国克莱姆森大学在《精密的无电池感应》这一论文中指出，与其他技术领域不同，摩尔定律（半导体性能大约每18个月翻番）不适用于电池技术生产和研究中使用的化学和制造工艺。
![]() 电池性能进步速度远低于半导体性能迭代速度
随着二十世纪末微电子技术的发展，锂电池得到大规模应用，其性能进一步提升，续航更加持久，重量也有了大幅降低，但从整体来看，电池各方面性能的进步每年最多只有几个百分点，远远不足以跟上总体计算能力的进步，难以支撑物联网设备不断增长的需求。
07：元件差异限制续航时长
当前，大部分的物联网设备都是通过高度集成化而来，设备中的数据传感、处理、内存及通信等模块都需要电池模块供电以保障正常工作，但值得注意的是，不同厂商所开发的元器件对于功耗的优化处理是存在差异的，当这些元件被集成在一起之后，对于设备的整体续航时长必然会存在影响。
特别是近些年，市场更加青睐续航更长的设备，一些厂商为了提高自身产品的竞争力，积极开发“超低功耗”的无线物联网传感器元件，例如微控制器（MCU）就是为低功耗而设计的，它也的确能为延长续航做出贡献，但如果扫描器、温湿度计传感器或游戏设备的芯片并非如此，哪怕是经过了高度集成化的处理，利用电池供电的传感器网络续航时长依旧无法得到显著提升。
08：独立元器件导致传感器性能不佳
除了续航时长，不同元件所构建的传感器还存在另外一个问题，即这些传感器缺乏整体的协同能力。试想一下，当某个无线传感器中的数据处理能力已经超过其最大的负荷，但由于传感器系统由独立的硬件和软件组成，彼此之间难以无缝通信，甚至无法发起相关问题的警报，管理人员无从得知自然也无法即时解决此类问题。传感器将继续超负荷工作，轻则任务失败自动停机，重则设备损毁数据丢失。
![]() 独立元件构建的传感器可能导致性能不佳
虽然此类问题很棘手，但并非无法解决，试想一下，当整个物联网网络被构建成一个统一的生态系统，从供电到数据采集再到数据传输，所有部分都实现协同工作之后，一旦某个处理器发生超负载的情况，系统完全可以将负载转移到系统中负担较轻的区域，继而保证设备能一直正常工作，但这一切的前提必须是可靠的供电作为基础。
微能管理模组/芯片解决电池续航难题
为了满足不断涌现的市场需求，一举解决电池带来的种种难题，飞英思特结合自研的先进能量采集技术及微能量管理技术，推出了微能量管理模组和微能量管理芯片，为客户带来更稳定的数据采集传输和更低功耗的供电解决方案。
微能管理模组/芯片具备复合环境能量采集能力，通过采集环境中的微光能、射频能、微动能、温差能（TEG）进行发电，使得设备在使用过程中无需更换电池，条件满足的前提下甚至还可以实现设备生命周期内的无电池永久续航，消除了维护设备和频繁更换电池所带来的高昂人力物力成本。
![]() 飞英思特能量采集技术
此外，凭借高度集成化的设计，飞英思特所提供的供电解决方案还大幅降低了后续的开发难度，产品开发工程师无需进行繁重的集成工作，只需简单地将换能器插入微能管理模组/芯片，再将后端电路连接到输出即可完成无源产品的原型设计，为企业快速抢占市场夺得先机。
通过这些技术优势，除了可解决电池供电的种种不足，飞英思特微能管理模组/芯片还极大拓宽了物联网低功耗设备的应用领域，例如医疗身份卡、物品信息标签等对体积、续航、效率要求更高的产品。
纵观整个行业来看，电池的确极大束缚了物联网的发展，但作为全球领先的无源无线技术和产品提供商，飞英思特正努力通过创新的供电方案解决这一难题，期待最终让各个行业的低功耗设备都能实现免维护免电池运行，并帮助降低物联网电池对生态造成的破坏。
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