自供电传感器：消除电池瓶颈，释放普适物联网潜能

2021 年 9 月 27 日

为何自供电传感器是游戏规则改变者

给物体装上计算设备使其通过互联网传输数据，多年来被寄予将彻底变革企业运营与个人生活的厚望。虽然物联网（IoT）已通过智能手机、联网恒温器、可穿戴健身追踪器、甚至监测饮水习惯的水瓶等切实影响个人生活，但其普及速度远慢于专家预测，在工业企业中落地更远低于预期。

万亿电池难题

2012 年 IBM 预测 2015 年将有 1 万亿连接设备。现实远未达标。万亿设备预测的一个含义是体量——需要万亿电池为万亿物联网传感器采集、分析、发送数据提供动力。延长电池寿命一直是创新焦点。2017 年京都 VLSI 电路研讨会论文描述了业界延长物联网设备电池寿命的新方法。

假设业界最终实现物联网电池平均 10 年寿命目标。万亿设备世界中，每天需更换多少电池？答案：273,972,603 块。若仅达 2 年寿命，地球上每人（74 亿）每 5 天就得换一块电池。

我们无法每天更换超 10 亿块电池。即使最乐观场景，为 1 万亿物联网设备供电仍需每天更换 2.74 亿块电池，且假设所有电池均达 10 年预期寿命。显然这不是可行计划。

午餐前能换完前 1.37 亿块电池吗？

用反映您实际利用物联网的真实场景来衡量。

假设您在设施部署 10,000 个工业物联网设备——传感器战略性布放，实时传输机器设备健康性能、监测各区域温度空气质量、检测毒素泄漏、汇报蒸汽系统、暖通空调等关键基础设施状态。假设乐观的 5 年平均电池寿命，团队每年需更换约 2,000 块电池，即每天约 5 块（想想家用烟雾报警器换电池的麻烦，这还是加强版）。视设备类型，电池本身更换成本可能从几美元到几百美元不等。更令人担忧的是，到达远程传感器更换电池的成本往往远超电池本身成本。

所有这些解释了为何据机械工程师学会引用的 2017 年报告称：“必须消除电池，物联网才能繁荣。”这是最根本问题——业界聚焦电池寿命而非彻底摆脱对电池的依赖。

电池限制高性价比 IIoT 部署的五大理由

电池供电传感器需要人工维护
最显而易见的问题是所有电池最终都需更换。如前所述，接触并更换没电电池的成本——因必须人工操作——在资源与工时上往往远超新电池成本。这种频繁人工需求直接抵消了联网传感器的核心价值。

有限寿命可能导致任务关键数据缺口
电池耗尽的必然性带来的后果不仅是检查更换电池的边际劳动力与资本成本。除非监督工厂物联网传感器的团队立即发现没电电池并迅速赶赴现场更换，否则工厂将永久丢失传感器本应采集传输的过渡期数据。更糟的是，即使精心管理，无线传感器网络中电池也磨损极快。部分工业传感器记录流式传输的数据关乎安全合规，电池耗尽可能给企业造成重大隐患。

为省电，传感器常被配置为降低数据传输频率
理想情况下，工厂物联网设备——如化工区附近持续监测大气毒素泄漏的传感器——应极高频传输数据，每分钟数次更新为宜。但每次传输消耗电量。为延长电池寿命，许多物联网传感器被配置为远低于理想的频度——有时低至 24 小时一次。这会让工厂运营者对传感器捕获的数据产生不准确认知。

物理尺寸限制传感器功能
电池往往是物联网传感器系统中体积最大的部件，限制工程师的电池选择。且电池尺寸、重量、形态常限制传感器实用性。因为电池物理特性既限制传感器可执行的应用类型、也限制电池能与传感器板上哪些其他组件共存、以及部署位置（嵌入式位置因需换电池而受限）。

潜在安全风险与环境危害
美国国立卫生研究院（NIH）报告称，物联网传感器常用的锂电池“因潜在有毒材料，可能对环境污染与人类健康不利影响有实质贡献。”若全球持续部署电池供电物联网设备——特别是按预测以数十亿甚至上百亿规模推出——尤为令人担忧。

无电池解决方案
工业物联网革命的解决方案：端到端系统，汇聚完全成熟普适感知方案所需所有组件——围绕完全自供电的无线物联网传感器构建。新专利核心半导体与无线网络技术使设备能利用环境采集的低能量运行，产生足够功率支持其超低功耗运行无限期持续。传感器持续运行，永远不需要电池。

能量采集自多源——含低强度室内光、室外光、热电效应（捕获温差产生的环境能量）、压电材料（如特定晶体与陶瓷）振动、甚至环境中的无线电波。区别于其他“低功耗”但单一用途的采能电子元件，新型完整传感器设备不仅能用多传感器采集多维数据，还能在同一无电池功耗预算下处理、分析并无线传输数据。

将自供电系统视为“永久传感器”，因可部署后无需担心物理检查维护或电量检查。电池问题阻碍了工业物联网（IIoT）采用，使工业企业失去巨大收益——如普适感知能力可产生前所未有的可落地智能。解决方案是集成的全栈普适感知平台，物理传感器、数据采集处理、无线通信、分析报告软件平台——整个环境被设计为真正生态系统运行。这些创新终将助力企业兑现 IIoT 承诺的万亿美元价值。

Rafael Reyes 现任 Everactive 产品营销总监，该技术公司结合无电池无线传感器与云分析提供端到端工业物联网解决方案，他推动以客户为中心的新产品上市策略与现有产品推广策略。
Rafael 拥有 10 年以上产品营销与产品开发经验；结合 5 年战略规划与 5 年业务单元管理经验，均在 B2C 与 B2B 企业中积累。