[论文解读] Paving the Path to a Green and Self-Powered Internet of Things

Mahyar Shirvanimoghaddam, Kamyar Shirvanimoghaddam+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 100被引用 19

一句话总结

本文提出能量采集技术——特别是基于振动的压电能量采集——作为自供能物联网（IoT）设备的可持续供电解决方案。通过利用具有增强电学性能的先进压电材料，该方法可在难以到达的环境中实现长期、免维护运行，显著延长设备寿命，超越依赖电池的模型。

ABSTRACT

Internet of things (IoT) represents one of the biggest technology trends, which transforms every physical object to an information source and revolutionizes the way we interact with our surroundings. It aims to create an ecosystem of connected objects and provide ubiquitous connectivity between trillions of multi-role devices, such as sensors and actuators. Although recent advancements in miniaturization of devices with higher computational capabilities and ultra-low power communication technologies have enabled the vast deployment of sensors and actuators everywhere, such an evolution calls for fundamental changes in hardware design, software, network architecture, data analytic, data storage and power sources. A large portion of IoT devices cannot be powered by batteries only anymore, as they will be installed in hard to reach areas and regular battery replacement and maintenance is infeasible. A viable solution is to use energy harvesting techniques to harvest energy from environment and provide enough energy to the devices to perform their operations. This will significantly increase the device life time and eliminate the need for the battery as an energy source. This survey aims at providing a comprehensive study on energy harvesting techniques as alternative and promising solutions to power IoT devices. We present the main design challenges of IoT devices in terms of energy and power and provide design considerations for a successful implementations of self-powered IoT devices. We then specifically focus on vibration energy harvesting techniques using piezoelectric materials and briefly present a newly developed piezoelectric materials with enhanced electrical properties.

研究动机与目标

• 解决在难以触及的位置为数万亿台物联网设备供电的日益严峻挑战，这些位置电池更换不切实际。
• 通过环境能量采集实现持续、可持续的供电，克服传统电池供电物联网系统存在的局限性。
• 对能量采集技术进行全面分析，重点关注用于振动能量采集的压电材料。
• 识别自供能物联网系统在硬件、软件、网络架构和数据管理方面的关键设计挑战。
• 提出设计考量与材料进展，以实现能量采集物联网设备的可行、长期部署。

提出的方法

• 调研现有能量采集技术，特别聚焦于使用压电材料的振动能量采集。
• 分析物联网设备的能效需求和功率限制，以识别可行的能量采集解决方案。
• 评估传统压电材料的性能，并突出具有增强电学性能的新材料的最新进展。
• 讨论系统级集成挑战，包括低功耗环境下的电源管理、数据处理和网络通信。
• 为硬件和软件组件提供设计指南，以优化能效和系统寿命。
• 提出一种通过结合能量采集与超低功耗电子设备和通信协议来实现自供能物联网设备的框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过能量采集技术，特别是基于振动的压电能量采集，实现物联网设备的长期无电池运行？
• RQ2 设计自供能物联网系统时，主要的硬件、软件和架构挑战是什么？
• RQ3 压电材料在哪些方面的材料进展显著提升了其在物联网应用中的能量转换效率？
• RQ4 如何将能量采集集成到物联网系统设计中，以确保在偏远或难以到达环境中的可靠和持续运行？
• RQ5 在自供能物联网部署中，实现最佳能效和系统寿命的关键设计考量是什么？

主要发现

• 使用压电材料进行振动能量采集，为在偏远或难以触及位置供电的物联网设备提供了可行且可持续的替代方案。
• 压电材料的最新进展带来了电学性能的提升，显著提高了能量转换效率和输出功率。
• 通过消除电池更换需求，自供能物联网设备可实现更长的运行寿命，尤其适用于维护不可行的环境。
• 将能量采集与超低功耗电子设备和通信协议进行系统级集成，可实现无需外部电源的可靠、持续运行。
• 必须解决电源管理、数据处理和网络架构方面的设计挑战，以确保自供能物联网生态系统的可扩展性和可靠性。
• 向基于能量采集的供电源转型，对于实现数万亿台物联网设备的广泛、可持续部署至关重要。