我国社会已步入智慧城市高速建设阶段，得益于一些沿海地区供应链规模化生产的低成本优势，我国的智慧城市发展步伐已走在世界前列。近些年有成千上万的工程师在将物联网行业应用做得越来越丰富，从公共汽车站的标牌到联网的复杂工业系统，物联网产业正处于一个大幅增长的阶段。但是，各类终端需要电池或市电的电力支持，往往局限了应用场景，尤其在工业物联网和智慧楼宇等一些大型智慧城市项目中，那些由电池驱动的终端十分受电池的耐久度的影响，更换电池的成本往往比物联网设备的自身成本更高。
环境中有一些经常被忽视的闲散且清洁的能源，目前也存在一些将它们转化成电能的基础技术，并且应用到了一些诸如电灯等基础电力设施上了，但由于其功率低和稳定性不足等因素，几乎还没有将它们用来为物联网系统供电。
如果通过研究对这些能量增大采集、合理存储、有效释放，能实现一些低功耗物联网设备能量自给，或者是延长电池耐久周期，那么不但可以节约能源开支，还能拓展更多物联网应用场景，让整个物联网生态圈更有生命力和可持续发展。
1
智慧城市的智能终端供电现状
市电和电池是目前两种主流的供电模式。市电能提供持续稳定的电能，但依赖建设规划布局和存在额外的建设成本，适合持续大功率的终端。电池是一次性投入，可预测持续周期，定期更换和维护，存在后期大额的人工成本，适合低功耗、数量大、有便携和拆卸需求的终端。对环境能源的利用目前最多的是在光伏产业，被应用于阳光充足和少雨水气候的地区的室外场景，而对不满足或不完全满足这些条件的场景，太阳能就不能发挥作用，还是只能采用电池+人工维护定期更换的方式。
2
微能量采集技术
微能量也称环境能量，意指通过能量转化技术从环境中获取到取之不尽用之不竭的电能，可被电器作为电源使用。微能量的定义并不限于能量的大小，高至10W的光伏、低至uW的人体热能，都可称之为微能量。
本文尝试对几种常用的能量转化技术进行分析，探讨其在智慧城市应用的可行性和实用性。
2.1 温差能
半导体温差发电模块（制冷片）是温差能转化电能的关键元器件。利用其内部热交换的物理性质，通过冷热两面温差产生电流。一般温差在10℃以上即会产生微弱电能（10mW以上），50℃以上会有稳定的1W以上电能。
半导体发电模块体积小，重量轻，便于携带，随着现代社会保护环境和节约能源的呼声越来越高，人们更多地在考虑如何有效地将太阳热、海洋热、地热、工业废热和燃烧垃圾的发热等地球上各种热源产生的热能转化为电能。获得的电量比较可观，还可根据应用场景设计成需要的形状，成本也较低，可产业化，但受限于需有温差环境的场景。
温差发电优势是无噪音、无污染、安装简单、寿命长和性能稳定。
2.2 机械能
机械能转化电能是利用电磁感应原理，将磁感线圈绕永磁铁轴心机械运动可产生高效的电能，是目前为止被发现最早用于发电的原理技术，风力发电和水力发电都是利用的该类技术原理。故其应用最为广泛，市面上已经成熟的产品包括有按压发电模块、振动发电模块和轴转发电模块等，作为微能量采集模块在工作状态下通常可获得100mW级别的电量。
优势是成本低、应用场景广和性能稳定。
2.3 光能
室外传统的光伏太阳能技术已被广泛应用，而本文讨论的微能量发电技术是指新一代有机太阳能材料石墨烯OPV。石墨烯OPV即石墨烯有机太阳能电池，即便是微弱的光线或室内光都可发电，可用于智能建筑、公共设施及航天等领域，适用场景非常广泛。
国内还没有达到相关技术标准的生产技术，且成本高昂，离大规模商用还要很久。
2.4 电磁波
从电磁波获取能量的概念并不新鲜，原理与目前市面上的无线充电技术相同。来自手机信号基站、行动装置、Wi-Fi、蓝牙与5G等产生越来越多的微波充斥全世界，从环境中已经存在的无线电波中获取能量是能量收集的丰富来源，尽管它确实需要接近发射天线。国际上有几种无线充电标准（Qi、PMA/AirFuel-Alliance、WPC等），每种都有各种充电方法和最大充电距离。中国移动研究院正在测试一项有效距离为10m的远程充电技术。
电磁波能量采集技术尚处在萌芽期，但对于微能量领域却是最具潜力的技术之一。
3
微能量采集和管理系统设计
微能源的采集往往大小不稳定且不连续，这就增加了利用的难度，本次研究设计了一套可行的方案：将物联网终端设备集成能量采集装置，并按需对其进行放电管理。如果设备功耗较低，而能量采集装置可获取较多能量，则设备可实现更长时间运行甚至无限期运行。
3.1技术架构设计
微能量采集和管理系统工作原理如图1所示，该系统可实现将环境里的能量转化成电能，并进行实时监测和有效释放，为下游端的传感器和通信模块供电。系统应具备方便集成的特点，在对接下游应用时能够方便快捷的适用各类能耗设备，最终形成一种为打造智慧城市而具备的领先理念、丰富场景和清洁能源的节能方案服务能力。
图1 微能量采集和管理系统工作原理图
我国社会已步入智慧城市高速建设阶段，得益于一些沿海地区供应链规模化生产的低成本优势，我国的智慧城市发展步伐已走在世界前列。近些年有成千上万的工程师在将物联网行业应用做得越来越丰富，从公共汽车站的标牌到联网的复杂工业系统，物联网产业正处于一个大幅增长的阶段。但是，各类终端需要电池或市电的电力支持，往往局限了应用场景，尤其在工业物联网和智慧楼宇等一些大型智慧城市项目中，那些由电池驱动的终端十分受电池的耐久度的影响，更换电池的成本往往比物联网设备的自身成本更高。
环境中有一些经常被忽视的闲散且清洁的能源，目前也存在一些将它们转化成电能的基础技术，并且应用到了一些诸如电灯等基础电力设施上了，但由于其功率低和稳定性不足等因素，几乎还没有将它们用来为物联网系统供电。
如果通过研究对这些能量增大采集、合理存储、有效释放，能实现一些低功耗物联网设备能量自给，或者是延长电池耐久周期，那么不但可以节约能源开支，还能拓展更多物联网应用场景，让整个物联网生态圈更有生命力和可持续发展。
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智慧城市的智能终端供电现状
市电和电池是目前两种主流的供电模式。市电能提供持续稳定的电能，但依赖建设规划布局和存在额外的建设成本，适合持续大功率的终端。电池是一次性投入，可预测持续周期，定期更换和维护，存在后期大额的人工成本，适合低功耗、数量大、有便携和拆卸需求的终端。对环境能源的利用目前最多的是在光伏产业，被应用于阳光充足和少雨水气候的地区的室外场景，而对不满足或不完全满足这些条件的场景，太阳能就不能发挥作用，还是只能采用电池+人工维护定期更换的方式。
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微能量采集技术
微能量也称环境能量，意指通过能量转化技术从环境中获取到取之不尽用之不竭的电能，可被电器作为电源使用。微能量的定义并不限于能量的大小，高至10W的光伏、低至uW的人体热能，都可称之为微能量。
本文尝试对几种常用的能量转化技术进行分析，探讨其在智慧城市应用的可行性和实用性。
2.1 温差能
半导体温差发电模块（制冷片）是温差能转化电能的关键元器件。利用其内部热交换的物理性质，通过冷热两面温差产生电流。一般温差在10℃以上即会产生微弱电能（10mW以上），50℃以上会有稳定的1W以上电能。
半导体发电模块体积小，重量轻，便于携带，随着现代社会保护环境和节约能源的呼声越来越高，人们更多地在考虑如何有效地将太阳热、海洋热、地热、工业废热和燃烧垃圾的发热等地球上各种热源产生的热能转化为电能。获得的电量比较可观，还可根据应用场景设计成需要的形状，成本也较低，可产业化，但受限于需有温差环境的场景。
温差发电优势是无噪音、无污染、安装简单、寿命长和性能稳定。
2.2 机械能
机械能转化电能是利用电磁感应原理，将磁感线圈绕永磁铁轴心机械运动可产生高效的电能，是目前为止被发现最早用于发电的原理技术，风力发电和水力发电都是利用的该类技术原理。故其应用最为广泛，市面上已经成熟的产品包括有按压发电模块、振动发电模块和轴转发电模块等，作为微能量采集模块在工作状态下通常可获得100mW级别的电量。
优势是成本低、应用场景广和性能稳定。
2.3 光能
室外传统的光伏太阳能技术已被广泛应用，而本文讨论的微能量发电技术是指新一代有机太阳能材料石墨烯OPV。石墨烯OPV即石墨烯有机太阳能电池，即便是微弱的光线或室内光都可发电，可用于智能建筑、公共设施及航天等领域，适用场景非常广泛。
国内还没有达到相关技术标准的生产技术，且成本高昂，离大规模商用还要很久。
2.4 电磁波
从电磁波获取能量的概念并不新鲜，原理与目前市面上的无线充电技术相同。来自手机信号基站、行动装置、Wi-Fi、蓝牙与5G等产生越来越多的微波充斥全世界，从环境中已经存在的无线电波中获取能量是能量收集的丰富来源，尽管它确实需要接近发射天线。国际上有几种无线充电标准（Qi、PMA/AirFuel-Alliance、WPC等），每种都有各种充电方法和最大充电距离。中国移动研究院正在测试一项有效距离为10m的远程充电技术。
电磁波能量采集技术尚处在萌芽期，但对于微能量领域却是最具潜力的技术之一。
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微能量采集和管理系统设计
微能源的采集往往大小不稳定且不连续，这就增加了利用的难度，本次研究设计了一套可行的方案：将物联网终端设备集成能量采集装置，并按需对其进行放电管理。如果设备功耗较低，而能量采集装置可获取较多能量，则设备可实现更长时间运行甚至无限期运行。
3.1技术架构设计
微能量采集和管理系统工作原理如图1所示，该系统可实现将环境里的能量转化成电能，并进行实时监测和有效释放，为下游端的传感器和通信模块供电。系统应具备方便集成的特点，在对接下游应用时能够方便快捷的适用各类能耗设备，最终形成一种为打造智慧城市而具备的领先理念、丰富场景和清洁能源的节能方案服务能力。
表 1：M5312模组耗流
M5312在工作状态下，能耗为100~500mW，主要取决于网络信号强度，平均能耗约为200mW，如果是热启动，一次通信的工作时长从唤醒、注册网络、完成传输到再次进入休眠态，时长平均15~30s。
如果采用LORA通信模组，一般发射功率为10dBm，约10mW的功耗。
3.2行业应用研究
目前各微能量采集方式提供的电量和与之对应的通信方式，如图2所示，可以帮助我们结合实际需求设计切实可行的微能量采集技术供电解决方案。
图2 微能量采集方式与对应能耗的通信方式
本文结合工作经验为一系列智慧城市垂直行业的物联网终端设计了低能耗自供电终端解决方案，如热力管道检测系统的自供电智能疏水阀、自供电智能水表和无源车载定位装置等。解决了某些场景下温度过低和过高导致电池无法工作的问题，还替代了需定期更换电池的环节，为应用企业节省了人工成本。
3.3系统改进研究
目前的微能量采集和管理系统还存在许多不足，我们还从“开源”和“节流”两个方向加以改进。
3.3.1 采用5G通信技术提升能源效率
2019年是我国的5G通信建设元年，其中5G典型应用场景之一mMTC是特地为海量物联网设备应用而设计。现有基于LTE作为物理信道的NB-IoT通信受NPDCCH周期约束导致通信连接时长较长，当设备部署密集时，NB-IoT终端设备为了完成通信任务，往往需要在IDLE（空闲态）排队等候较长时间。而5G的mMTC的标准确保了无线通信网络的低时延，真正实现了海量物联网设备的高并发，当终端通信模块被唤醒后即可迅速注册网络完成通信任务，随后进入PSM（休眠态），通过降低了系统的信令开销提升整体效率。本文将系统的通信技术升级到5G之后有效地为系统实现了“节流”。
3.3.2 挖缺新的微能量采集技术
本文通过研究一类叫希瓦氏菌属的产电菌，设计了一套植物和微生物共生发电的实验模型，用于采集生物发电。通过对产电菌种群培育和繁殖对湿地进行改造，已能够利用该装置获取约1W/m2的电能，未来有望达到3W/m2。基于该生物电能采集方式发明了一种自供电环境监测无线传感网络节点，如图3所示，该发明可应用于污水处理和湿地环境监测等应用场景，为智慧城市系统提供了新的供能方式和新的应用方案，为微能量采集和管理系统实现了“开源”。”
图3基于生物能的环境检测无线网络节点
4
微能量采集技术应用和研究的意义
4.1 为智慧城市可持续发展提供可再生的清洁能源
目前电池回收行业规范还处于起始阶段，未来随着电池市场规模不断扩大，报废电池量也会快速增加。中国移动OneNet物联网云平台统计的应用电池供电的物联网终端数，如图4所示，物联网行业电池应用增长速度可见一斑。
图4 中国移动物联网终端电池新增数
而废旧电池被遗弃后如果不幸进入了大自然生态系统，电池的外壳会慢慢腐蚀，其中的重金属物质会逐渐渗入水体和土壤，造成污染。重金属污染的最大特点是它在自然界是不能降解，只能通过净化作用，将污染消除。据估算，一粒纽扣电池弃入大自然后可污染60万升水，相当于一个人一生的饮水量。
国际上通行的废旧电池处理方式大致有3种：固化深埋、存放于废矿井和回收利用。但不管哪一种都需要耗费很大的成本。我国锂电池回收市场2018年已达到50亿元，业内预计2020年市场规模将达156亿元，社会整体支出引人注目，社会成本和环境成本骤然升高。人们一直在寻求技术上可行、经济上可取的科学处理方法，解决废旧电池的问题对保护环境、节约资源意义重大，是功在当代、利在千秋的壮举。
采用微能量采集技术替代电池恰好可以减轻智慧城市对处理废旧电池的负担。虽然微能量采集装置也存在回收的问题，如果回收不当也会造成新的污染，但是微能量采集装置远不及电池的危害，且回收周期要远远长于电池。有些工业物联网项目整体包含有成千上万的点位，更换设备的人工成本单价一般在200~500元，这个价格甚至比设备本身的价格还高，延长了使用周期就是在有效节省成本。一般电池的平均使用周期不超过3年，最长的也不过是6年，但微能量采集装置的寿命一般要求达到20年以上，所以只要在设备的回收路径和其商业模式上达成行业共识，从整个系统的环保和经济角度来看是优于使用电池的方案。
4.2 引导我国新材料、半导体技术的发展
微能量采集技术的应用对新材料技术、半导体工艺技术提出了较高的要求。前文提到的通过光能发电和采集生物电能，其发电效率都直接同材料技术相关；而为降低单个模组的功耗，目前来看，主要的举措就是采用更高工艺制程的芯片。这些技术我国尚且同世界先进水平存在较大的差距。
2019年的中美贸易战，美国曾发起针对中兴、华为等企业的断芯事件给我国的半导体行业敲响了一记警钟，对于关键技术不能再被西方国家拆脖子。
微能量采集技术在智慧城市建设的应用将产生极大的市场需求，而很多进口部件造价昂贵，供给得不到保障，强大的市场需求将引导国内企业对于新材料、半导体核心技术的研发和发展。
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结束语
发展清洁能源对于长远发展具有重大意义。由于成本和适用性的限制，目前微能量采集技术还不适合大范围普及和应用，微能量采集技术在智慧城市的应用是一项前瞻性的研究，对于推动5G通信技术应用和智慧城市可持续发展具有十分重要的现实意义和战略意义。
