如果让我们问自己如何看待技术的未来，我们很多人都会回答未来无疑是能源。事实上，能源主题是当今的主要焦点，也是未来数字革命的焦点。数字技术的发展与能源转型之间存在着密切的联系。事实上，技术发展是实现全球能源转型的主要手段。从这个意义上说，物联网(IoT)是一项很有前景的技术，其在各种应用中都具有许多优势。因此，最近电子和消费行业有许多公司和部门都对其产生了关注并在这个创新技术领域投入了大量资金。让我们来分析下物联网如何影响和引导数字化转型以及随之而来的能源转型，并看下物联网设备实现更高能源效率的具体案例。
物联网正在彻底改变许多应用中设备和技术的使用。鉴于其本身的多功能性，这也是一个快速发展的技术领域。但物联网到底意味着什么？让我们来更好地解释一下。物联网是一个相当通用的术语，通常用来指配备嵌入式智能传感器的设备网络。从技术上讲，物联网可以通过集成到系统中的传感器和/或执行器与其环境进行交互。智能传感器负责从周围环境收集各种数据。物联网智能传感器所收集和处理的最常见的数据是温度、湿度和大气压力，也可以是与运动相关的信息。因此，我们可了解到物联网生态系统的特点是有一组配备先进处理能力的互连设备。然后再使用互联网连接与其他设备交换数据。物联网设备通常通过无线链路连接到接入点。通常，我们所听到或看到的有工业物联网(IIoT)、人工智能物联网(AIoT，即物联网与人工智能的结合)和能源互联网(IoE，即将IoT用于能源领域的应用)。然而，物联网设备运行始终存在一个亟待解决的问题，那就是为此类设备寻找稳定、实惠和持久的供电系统，并保证数据的密集交换。
互联网从根本上改变了大多数现代电子系统的设计过程，而让它们将网络连接作为一项基本的功能要素。物联网技术在定义能源目标以及如何实现这些目标方面发挥着核心作用。首先，应该记住，物联网是去中心化的关键因素，它是通过收集数据流进行远程监控来实现的。利用传感器系统收集数据，并将信息传输到云端进行监控(例如环境温度或控制加热)，这极大地改变了电子设备的要求。从这个意义上说，物联网可以有效管理不同的分布式能源，从而创造新的变革机会。将物联网与可再生能源和智能电源管理结合起来，可以加速实现能源效率的目标。
如今，物联网正在许多应用场景中落地。现在让我们回顾一下物联网生态系统所提供的一些主要工具和用例，以便实现提高能源效率和减少能源消耗的目标。
智能交通：这是通过网联车辆(为车辆配备集成的互联网连接或通过智能手机实现连接)来实现的。在这种情况下，我们所说的车联网(IoV)是指网联车辆的生态系统。最新一代网联车辆使用智能传感器来收集环境数据，例如位置传感器、温度传感器、接近传感器和光传感器，这对于保证所采用的连接解决方案实现高水平的测量质量和精度至关重要。在这方面，将网联车辆连接到互联网的方式多种多样：车辆到云(V2C)、车辆到车辆(V2V)、车辆到基础设施(V2I)，以及车辆到一切(V2X)。
智能电网：这些是与IoT和IoE相关的应用，它们基于集成到电网的智能传感器来创建智能电网基础设施。这些传感器用于直接从周围环境实时收集有价值的数据，从而进行远程监视和控制。智能电网的优势在于它们还允许消费点与发电点之间电力和信息的双向流动。在这种情况下，智能电表代表了智能电网市场的重要组成部分，因为它们可以获取和读取用户消费数据，并可供消费者或电力服务管理者使用。这一切都是实时发生的。在许多环境监测应用中，还可以与智能电表一起提供可实时显示能源成本和能源消耗的便携式设备工具。因此，这些工具非常有价值，因为它们可以向消费者提供正确的消费信息，并允许他们采取正确的行动来平衡能源负荷、降低成本和能源浪费。
智慧城市：智慧城市的模型由数百万个网联设备和网联解决方案所组成，由于配备了传感器，因此可用于监测温度、湿度、空气质量和气体存在等。智慧城市可以使用物联网设备来收集和分析输入数据，从而改善基础设施和服务。
配备物联网传感器的智能楼宇和智能家居：物联网传感器可用于提高智能楼宇的可持续性水平。在大型楼宇中，可以将物联网传感器分布到多个点来传送能耗数据。数据中心在收到所传送的信息后可对其进行分析，从而有效管理空调、热水或照明系统。在处理阶段，还可以利用人工智能算法对所获取的数据进行集中分析，从而创建报告或制定旨在节省能源的策略。定期(例如每月或每周)创建的能源报告，能够突出显示能源使用趋势以及更详细的控制信息。数据筛选阶段还可用于识别设备的潜在故障(现已过时或有运行缺陷)，实现及时干预，从而避免长时间的能源浪费。
物联网智能恒温器：它们是可显著降低供暖和制冷成本的有效工具。有许多现代物联网智能恒温器都已实现越来越多的功能，从而实现精确的温度控制。正是这一点促进了更高水平的节能。根据用户习惯，物联网传感器可通过学习数据来帮助调节室温。
智能照明系统：智能照明系统也是物联网在能源方面的重要应用案例。照明系统管理得越高效，节省的能源就越多。一个典型的案例是按需通过Wi-Fi对LED灯进行控制和开关，同时避免照明活动消耗过多的能源。基于物联网的高效照明技术为公司或个人带来了优势，特别是在家庭和楼宇中有商用房间或有办公室的情况下，即使没有必要，这些房间也会全天保持照明，从而造成不必要的消耗电。
能量采集：我们都知道物联网设备对电池使用的依赖程度。技术领域正试图研究制定新的策略来解决物联网的电池寿命问题，也即通过创建新的储能模式来延长电池寿命。事实上，电池在物联网应用中极其重要，因为它们代表着主要的电力来源。与大型互联系统不同，物联网设备通常无法使用公用电源，而是需要自行供电。对于许多超低功耗物联网应用，能量采集提供了最有前途的解决方案。与使用能量采集的电子系统不同，我们需要在运行过程的某个时刻更换电池，而其更换成本通常高于物联网设备的成本。从这个角度来看，物联网是寻找新型能量采集解决方案的关键领域之一。迄今为止，能量采集可用于提高物联网设备的可持续性，从而为低功耗传感器、便携式设备和储能设备实现新形式的创新铺平道路。新的能量存储和使用模式可以帮助延长电池的使用寿命，甚至完全消除电池的使用。例如，可以在有可用能量时使用能量采集来为设备供电而在已存储的采集能量耗尽时恢复电池使用。另一种情况是，可以用采集到的能量为可充电电池充电，从而保证物联网设备在长时间没有能量可用的情况下也能运行。在物联网设备上处理数据所需的功率相当高，在这种情况下可能需要用电池为系统供电。现代工业正在朝着能量采集的方向发展，这可以大大延长电池寿命，甚至完全消除电池。为了给物联网设备供电，可以用能量采集技术从环境捕获能量，例如射频波、热梯度、太阳能电池板、环境光或机械运动。选择最佳的能量采集方法取决于特定的应用类型、能源需求、处理器、通信技术和标准、环境条件以及所用设备的功能。事实上，在设计电子系统时，必须始终确定各种操作模式下的活动功能，从而获得设备的可持续运行。
开发可持续运行的物联网设备需要进行细致的工程设计。通过实施物联网技术解决方案和模型可以实现显著的节能，这对公司利润和环境的可持续发展都能产生非常积极的影响。当今技术研究的主要目标是确保为大多数物联网应用的连接要求提供适当的灵活性，减少能源消耗和浪费，使物联网变得越来越高效和安全，从而最大限度地减少为环境所带来的“副作用”。事实上，当前的连接设备市场需要高水平的性能，同时需要达到非常低的电流消耗状态以延长电池寿命。现代物联网系统设计的主要目标实际上是通过延长电池寿命来节省能源，同时减少设备的电流消耗和能源浪费。在这个发展方向上，能量采集技术是物联网的一个关键点，因为它可以确保为应用提供足够的电力，从而无需使用电池而对环境产生明显的积极影响。
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Digital technologies and energy efficiency: the central role of the IoT，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
最前沿的电子设计资讯
