原标题：可持续物联网基础设施所需的能源自主权

　　为什么部署大规模物联网网络所花费的时间比许多人预期的要长。

　　近年来，不乏宣传物联网 (IoT) 的发言人。他们谈到了这项技术的巨大潜力以及它可以为我们的社会带来的众多好处——更高效的工业流程、解决交通拥堵、通过智能农业提高作物产量、通过数字健康改善患者的生活质量等。尽管所有这些听起来都是积极的，但不可否认的是，大规模物联网网络的推出所花费的时间比许多人预期的要长。

　　这里仍然存在一些障碍，一些与所采用的技术有关，而另一些则更基于后勤。因此，迄今为止主要见证的实施规模相对较小。下面的文章着眼于可以做些什么来克服这些障碍，以便可以创建精简、具有成本效益和可持续的物联网基础设施。

　　目前阻碍物联网采用的因素是什么?

　　物联网实施进展慢于预期的原因有很多。其中最突出的是：

　　需要降低相关的硬件成本。大多数物联网节点需要包含许多不同的组件，这会产生成本影响。通过控制基础设施的前期财务支出，采用物联网技术的意愿肯定会增加。能够推出物联网网络的企业/市政/组织的数量将随之扩大，从而导致更多的用例得到解决。

　　物联网节点大小。物联网硬件所需的大量组件引发了另一个问题。除了可观的物料清单 (BoM) 成本外，这还意味着节点可能非常庞大。这使得它们无法用于必须考虑空间限制的大部分潜在应用中(例如可穿戴在身上或需要安装在紧密外壳中的应用)。因此，需要找到收缩节点尺寸的方法，但不限制这些节点的功能或缩短其运行寿命(由于它们没有足够的能量存储可用)。

　　最大限度地减少运营费用。必须认识到，实施物联网网络仅仅是开始。在此之后，需要持续努力来维持所包含的所有节点的操作。

　　物联网网络将负责的电子垃圾水平。这是另一个不容忽视的重要点。正如我们将看到的，除非采取适当的措施来防止这种情况发生，否则物联网网络可能会对环境产生巨大影响。

　　在着手实施物联网网络之前，组织了解网络将代表的总拥有成本非常重要。上面列出的第一点和第三点应该结合起来，以准确估计网络预计生命周期内的总成本。只有这样才能评估投资是否合理。

　　电源问题

　　节点的供电方式对物联网网络的总拥有成本有很大贡献，影响 BoM 和随后的运营费用。目前，绝大多数已部署的物联网节点都依赖锂离子电池作为其电源。

　　电池不仅占用了物联网节点的电路板空间，将它们排除在已经概述的更多空间有限的应用之外，它们还有其他缺点。当然，电池电量会随着时间的推移而耗尽。

　　部署的硬件可以使用的时间段将由其功率预算决定。如果一个 IoT 节点每天需要进行很多数据传输，或者需要处理大量的处理工作流，那么这个值会更高。因此，它的电池将持续更短的时间，并且电池将需要尽快更换。

　　如果一个组织的网络由数万个节点组成，电池更换将是连续的，需要分配一个专门的维护团队来完成这项任务。这将严重增加网络维护费用。如果物联网节点位于偏远地区(例如在石化管道或智能农业装置中)，即使没有完全无法使用，情况也会进一步恶化。在这种情况下，节点将难以到达。

　　环境方面

　　根据联合国的数据，每年大约产生 5000 万吨电子垃圾，其中只有一小部分(大多数估计为 15% 至 18%)被回收利用。电池在产生的电子垃圾中占很大比例。尽管其他电池化学物质有充足的回收机会，但锂离子电池的回收活动仍然非常有限。目前被丢弃的锂离子电池数量已经被证明是有问题的，但随着物联网节点变得越来越普遍，每年被丢弃的电池数量将呈指数级增长。

　　大多数行业分析师预测，整个物联网部署将很快构成大量节点。例如，Statista 在其关于该主题的最新报告中表示，到 2030 年将有 290 亿个物联网节点投入运行。基于此(假设电池寿命为 18-24 个月)，10-150 亿个锂离子电池每年仅物联网就可以产生电池价值的电子垃圾。

　　应该提到的另一个造成电子垃圾的因素是信用卡大小的运营商剩余的塑料，这些运营商用于蜂窝物联网节点的用户身份模块 (SIM)。通过用直接集成的替代品替换传统的 SIM 卡，可以避免这种塑料堆积。

　　遵循能量收集策略

　　从成本和环境的角度来看，仅使用锂离子电池为物联网供电显然是不切实际的，而且随着物联网网络规模的扩大，情况只会变得更糟。这就是为什么能量收集在物联网环境中被证明如此感兴趣的原因。与其消耗电力储存储备，不如从周围环境中持续提取能量。在某些情况下，热梯度或振动将成为能源;在其他情况下，将使用事件。

　　与电池供电的安排相反，利用能量收集技术将大大降低物联网网络成本——无需购买新电池，也无需更换电池。它还将具有环境优势，不会通过电池处理产生电子废物。

　　到目前为止，物联网环境中能量收集的采用在一定程度上受到组成组件成本的阻碍。负责监督能量收集过程的电源管理 IC (PMIC) 是问题的核心。这些设备确保为物联网硬件提供最佳电流，并确保足够的电流用于可充电储备(例如超级电容器)以供以后使用。不幸的是，此类 PMIC 通常需要大量无源组件(通常至少一百个)的支持。同样，可用于该硬件的无线模块通常太大且太贵，无法使其采购可行。

　　结论

　　毫无疑问，由于基本的实施问题，物联网基础设施的部署正在放缓。所需的组件数量使物联网节点过于昂贵，无法解决许多预期场景。此外，生成的节点大小通常太大而无法发挥作用。通过使用上述平台，可以产生更优化的物联网节点。这些节点将不依赖于电池，具有更低的 BoM 成本、更小的外形尺寸和更少的环境影响，这些都是实现的关键优势。

　　本文最初发表在 EE Times Europe上。

　　Shohei Kawanaka 是 Murata 的欧洲连接模块产品经理。