[论文解读] Towards a Green and Self-Powered Internet of Things Using Piezoelectric Energy Harvesting

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

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 7

一句话总结

本文提出压电能量收集作为物联网（IoT）设备的可持续、自供电解决方案，尤其适用于难以到达或维护成本较高的环境。通过将环境中的机械振动转化为电能，压电能量收集器可实现长期无电池运行，显著延长设备寿命，并支持在医疗、工业监测和智能基础设施等领域的绿色、可扩展的物联网部署。

ABSTRACT

Internet of things (IoT) is a revolutionizing technology which aims to create an ecosystem of connected objects and embedded devices and provide ubiquitous connectivity between trillions of not only smart devices but also simple 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 are infeasible. A viable solution is to scavenge and harvest energy from environment and then 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 piezoelectric energy harvesting and RF energy harvesting as most promising solutions to power IoT devices and present the main challenges and research directions. We also shed light on the security challenges of energy harvesting enabled IoT systems and green big data.

研究动机与目标

• 解决在难以到达或大规模部署场景中为数十亿低功耗物联网设备供电的严峻挑战，此类场景下电池更换不切实际。
• 识别能量收集技术——特别是压电和射频（RF）能量收集——作为传统电池在长期物联网运行中的可行、可持续替代方案。
• 分析在采用压电能量收集技术实现自供电物联网系统过程中面临的设计、技术和安全挑战。
• 突出压电材料在结构健康监测和可穿戴医疗设备中的潜力，因其可靠性高且能量输出稳定。
• 全面综述能量收集技术，重点关注其在物联网生态系统中的可扩展性、效率和实际部署。

提出的方法

• 基于2025年全球物联网设备预计超过500亿台的预测，强调大规模部署中对可持续供电方案的迫切需求。
• 评估多种能量收集技术，对压电和射频能量收集进行深入分析，确认其为领先候选方案。
• 讨论压电效应的物理原理：在PZT和PVDF等材料中，机械应力可产生电荷，从而实现从环境振动中转换电能。
• 回顾系统级集成挑战，包括阻抗匹配、电源管理电路以及间歇性能量收集的储能技术。
• 分析实际应用场景，如结构健康监测、可穿戴传感器和工业传感器，其中压电能量收集器可替代电池。
• 讨论市场趋势和主要参与者，引用市场预测：2018年市场规模为1.45亿美元，到2022年将增长至6.67亿美元，表明工业采用潜力强劲。

实验结果

研究问题

• RQ1 压电能量收集如何实现对难以到达或大规模环境中的物联网设备的长期无电池运行？
• RQ2 在将压电能量收集器集成到低功耗物联网系统时，面临的关键技术和设计挑战是什么？
• RQ3 在效率、可靠性与可扩展性方面，压电能量收集与其它能量收集方法（如射频、太阳能）相比如何？
• RQ4 在工业、医疗和智能基础设施领域，压电能量收集的主要应用场景和市场驱动力是什么？
• RQ5 能量收集对物联网安全和数据管理有何影响，特别是在绿色大数据系统中的影响？

主要发现

• 压电能量收集在单位体积内提供可靠且高功率输出，是实现长期、免维护物联网部署的理想选择。
• 压电能量收集市场预计从2018年的1.45亿美元增长至2022年的6.67亿美元，显示出强劲的工业与商业发展势头。
• 桥梁、建筑和飞机等结构健康监测系统可借助压电能量收集器，将环境振动持续转换为电能，实现无限期供电。
• 可穿戴和植入式医疗设备可通过压电能量收集技术受益，消除电池更换需求，提升患者舒适度。
• 在油气、远程传感等工业应用中，压电能量收集器为有线供电基础设施提供了成本效益高的替代方案。
• 尽管技术已取得进展，但低功耗广域网络（LPWAN）物联网设备仍需依赖电池，因其发射功率较高；然而，能量收集可通过持续充电显著延长电池寿命。