环境物联网 – 可持续物联网的未来

随着公司努力创造更环保、对生态更友好的产品和设备生态系统，物联网世界正在不断适应这一转变。从门锁和传感器等智能家居设备，到工厂监控设备和机械传感器等工业设备，无电池和低功耗解决方案正在彻底改变和重塑可持续物联网的未来。

电池的问题

物联网旨在创造一个互联的世界，在这里，创新、智能的设备能够无缝地互动，以改变我们在日常生活中体验技术的方式。

然而，每个设备都需要通电才能实现这种水平的互连性。虽然有许多来源可以提供这些电力，但物联网设备最常见和最简单的来源是传统电池。

那么，这有什么问题呢？如果传统的电池是最简单的答案，为什么消费者和设备制造商会突然积极打造没有电池的未来？

让我们来看一看。

首先，电池对环境构成威胁。不仅其处置不便，而且不当的处置和回收做法对生态系统造成了重大损害。每年有超过 150 亿个废旧电池被送往垃圾填埋场。电池含有酸和有毒金属，例如铅和汞，导致大约 900,000 吨污染土壤和地下水的有害废物释放到环境中。

其次，电池的使用寿命有限。这需要不断更换或充电，这可能代价昂贵且耗时，具体取决于设备的类型、消耗的功率以及电池需要更换或充电的频率。所有这些都提升了设备的维护成本。

第三，由于网络中连接设备的数量预计将迅速增长，电池的数量也会增长。依赖电池的物联网连接优势的概念威胁着电池的采用和可扩展性。

环境物联网 — 一类新的联网设备

为了解决电池对智能连接设备带来的挑战和弊端，物联网的先驱们正在探索一种全新、节能、无电池的互联设备未来。物联网的这一领域统称为环境物联网，旨在实现无缝连接，而不会带来环境和功能的影响。

什么是环境物联网？

环境物联网是指收集磁场和电场、光、热差、动能和振动等自然界中可利用的能源为其提供动力的一类连接的物联网设备。这些能源也称为环境能源，可以减少对电池的依赖，甚至可能取代对电池的需求，从而实现具有灵活外形尺寸的产品，降低 BOM 成本并大大延长产品寿命。

这里的一个重要术语是收集。环境物联网和能源收集是不同但相关的概念。能量收集是指利用、转换和存储来自太阳能、RF 波和物理振动等各种环境来源中能量的过程。

环境物联网利用能源收集技术为针对依赖短程无线连接应用的新时代设备提供动力。这些应用包括智能家居设备，如开关和门锁、智能建筑、资产跟踪、智能电表和工厂自动化。

但在我们转到环境物联网的这些应用之前，让我们更深入地探讨为什么节能解决方案不仅对物联网至关重要，而且可能带来根本性的变化。

为什么设计师应该接受环境物联网设计？

借助环境物联网，我们备受喜爱的智能设备现在可以依靠自然能源来获取电力并维持连接性，而不是依靠传统电池。这些能源（如光、热、运动等）不仅延长了设备的使用寿命，并且还显著降低了电池对环境的不利影响。但是，依靠这些能源提供电力比依靠传统电池有什么好处呢？为什么突然转向通过可再生能源为设备供电？原因有很多：

为客户创造更绿色环保的未来
不依赖电池或减少智能设备的电池消耗量有助于建立一个更健康的生态系统。如前所述，不当的电池回收或处置做法会释放铅、镉、汞和锂等有毒金属，从而污染环境。

提高可扩展性
物联网解决方案的强大程度取决于其网络规模和采用规模。拥有更密集、更可靠的网络可能会增加设备之间的通信范围和频率。例如在资产跟踪中，与附近的网关通信很重要，以确保更好的可追溯性并降低丢失贵重物品的风险。另一个例子是智能建筑，以及如果部署了更多的传感器，其能源等级将如何提高。如果这些传感器中的每一个都需要电池成本和更换，那么规模效益就会降低。将无电池节点集成到网络中有助于缓解此问题。此外，需要不断更换电池带来了需求的增长，当供应无法跟上这种不断增长的需求时，将导致可扩展性问题。

有助于长期节约成本
不依靠传统电池为您的设备供电，可能会以多种方式影响 BoM 成本。一方面，它可以通过消除不断更换电池的需要来降低这种成本。另一方面，它也可能增加 BoM 成本，因为安装集成电源管理系统等能量收集组件可能比传统电池更昂贵。然而，无电池设备的减少维护和更长使用寿命所带来的长期成本节约往往超过开发这些设备的初始成本增加。

此外，传统电池必须定期更换或充电。这种维护不仅耗时，而且还增加了与拥有和维护智能设备相关的总成本。仅在美国，平均每个家庭每年就会购买 90 块以上的电池，其中大多数甚至没有 10 年的使用寿命。

促进创新
无电池体系结构通过消除之前为传统电池预留的插座这一需求，实现更紧凑的设备。这对于可穿戴设备和植入式医疗设备等尺寸和重量至关重要的设备尤其有益。这种无电池设计还有助于创造更耐用的设备，消除与电池老化和故障相关的风险。此外，节省的硬件空间还可用于添加更多外围设备，推动主板物理设计和技术功能的创新。这种面向无电池设备的推动作用也成为物联网对生态友好和可持续创新发展的催化剂。

解锁新用例
通过促进创新，环境物联网还可以解锁新的用例，这些用例在依赖电池的体系结构中并不方便实施。例如，在智能农业中，安装在温室中的作物管理应用在安装后很难更换。其需要将传感器安装在现场各处，而且更换这些传感器中的电池既不可避免，又费时费力、成本高昂。采用布线方式为这些系统供电的想法更加不切实际，因为电线容易因恶劣的应用条件而断裂。温室中充足的太阳能或机器上产生的大量振动可以很容易地进行收集，为这些传感器提供动力。

虽然所有这些优势都为环境物联网造就了一个良好案例，但依靠自然资源为智能设备供电仍然带来了一些挑战。与传统电池相比，环境物联网能源只能产生有限的功率。这使得它们更适合消耗低到中等功率的智能设备。此外，环境物联网最适合用于特定功能的设备，如信标、简短的定期广告或用于数据记录状态的网关间歇性连接，并且具有较低的可重配置性。这也是由于节能方法的电力供应有限。然而，这些类型的设备能够考虑到能源的情况，因此能够动态地做出基于能源感知的决策。例如，物联网无线电可根据可用能源选择缩短其有效载荷和间隔，而是选择在更长时间内保持更深睡眠模式，同时再生更多能源。

环境物联网应用

现在，开发人员可以借助环境物联网使用节能平台来构建设备，从而最大限度地减少功耗，延长设备寿命，并减少设备对传统电池的依赖。许多当前的物联网应用都有可能转向环境和功率优化的解决方案。

• 智能建筑： 采用 Zigbee Green Power 的动态脉冲收集无电池门把手和电灯开关控制，无需改造即可令开关在不同的空间内自由移动，从而减少不断更换电池的需求，并使办公楼更加智能。
• 资产跟踪： 跟踪和管理仓库库存具有挑战性，但资产标签和其他跟踪系统使其容易许多！然而，这些方式需要经常更换电池。环境物联网提供电池优化的解决方案，可减少对电池的依赖，或能让采用无电池标签设计，从而显著改善手动条码扫描。
• 农业： 传感器用于帮助监测和绘制温室和车辆状况，获取有关温度、湿度和其他环境因素的实时信息，以及监测监测牛棚内的牛及其健康状况。无电池解决方案无需不断更换有助于自动化农业的传感器中的电池，从而简化智能农业的实施。
• 智能家居和家电： 门锁、水龙头和开关等智能家居电器有助于实现住宅自动化，并打造更智能、更互联的家居。在此用例中，通过使用能量收集设计，可以消除电池依赖性及与其相关的更换成本。电力收集发电机。
• 游戏类电子设备：室内太阳能和 RF 供电的电视遥控器和计算机键盘都能提供节能且经济高效的蓝牙解决方案。

其他一些关键应用包括轮胎压力监测传感器 (TPMS)、ESL、工厂自动化和使用振动和热能收集的预测性维护机器监测。

Silicon Labs 和环境物联网

随着我们迈向智能设备更加互联和智能的未来，物联网领域的领军者在这一转变中不能落后，这一点很重要。专家和公司必须将时间和资源投入到环境物联网和其他节能解决方案中，并保持领先地位，以实现其 ESG 目标。这将帮助我们驾驭更为可持续发展的物联网未来，并帮助我们在技术进步和环境可持续性之间取得平衡。

在 Silicon Labs，我们的使命是实现无线连接设备，改变全球各行各业。在日益数字化的世界中实现无缝互连性是我们的首要任务。为了确保物联网的未来对生态负责，我们现在已经优化了 xG22 系列 SoC（BG22E SoC 、MG22E SoC 和 FG22E SoC ），以纳入支持能量收集的功能。

xG22E 具有两个 Cortex-M33 和 Cortex M0+ 无线电内核，是我们迄今为止最节能的 SoC。对于希望构建可在电池优化的节能平台上运行的低功耗、高性能智能设备的开发人员来说，这是理想的选择。对于希望实施可提供超快、低能耗的冷启动、低能耗的深度睡眠唤醒和高效的能源模式转换，从而减少有害电流尖峰并防止对存储单元造成损坏的解决方案的设备制造商来说，这是理想的选择。

除了无线电板和 xG22E Explorer 套件之外，我们还作为行业领先的 PMIC 提供商 e-peas 开发了 Explorer Kit Shield。该套件由 Explorer 套件和可安装到 Explorer 套件板上的 3 屏蔽器组成。第一个屏蔽器允许使用替代电池化学成分和超级电容器进行实验，第二个屏蔽器专门用于动力学/脉冲收集应用，第三个屏蔽器能让开发人员同时使用双收集源进行实验。