隨著公司努力創造更環保、對生態更友好的產品和設備生態系統，物聯網世界正在不斷適應這一轉變。從門鎖和傳感器等智能家居設備，到工廠監控設備和機械傳感器等工業設備，無電池和低功耗解決方案正在徹底改變和重塑可持續物聯網的未來。

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電池的問題

物聯網旨在創造一個互聯的世界，在這里，創新、智能的設備能夠無縫地互動，以改變我們在日常生活中體驗技術的方式。

然而，每個設備都需要通電才能實現這種水平的互連性。雖然有許多來源可以提供這些電力，但物聯網設備最常見和最簡單的來源是傳統電池。

那么，這有什么問題呢？如果傳統的電池是最簡單的答案，為什么消費者和設備制造商會突然積極打造沒有電池的未來？

讓我們來看一看。

首先，電池對環境構成威脅。不僅其處置不便，而且不當的處置和回收做法對生態系統造成了重大損害。每年有超過 150 億個廢舊電池被送往垃圾填埋場。電池含有酸和有毒金屬，例如鉛和汞，導致大約 900,000 噸污染土壤和地下水的有害廢物釋放到環境中。

其次，電池的使用壽命有限。這需要不斷更換或充電，這可能代價昂貴且耗時，具體取決于設備的類型、消耗的功率以及電池需要更換或充電的頻率。所有這些都提升了設備的維護成本。

第三，由于網絡中連接設備的數量預計將迅速增長，電池的數量也會增長。依賴電池的物聯網連接優勢的概念威脅著電池的采用和可擴展性。

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環境物聯網 — 一類新的聯網設備

為了解決電池對智能連接設備帶來的挑戰和弊端，物聯網的先驅們正在探索一種全新、節能、無電池的互聯設備未來。物聯網的這一領域統稱為環境物聯網，旨在實現無縫連接，而不會帶來環境和功能的影響。

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什么是環境物聯網？

環境物聯網是指收集磁場和電場、光、熱差、動能和振動等自然界中可利用的能源為其提供動力的一類連接的物聯網設備。這些能源也稱為環境能源，可以減少對電池的依賴，甚至可能取代對電池的需求，從而實現具有靈活外形尺寸的產品，降低 BOM 成本并大大延長產品壽命。

這里的一個重要術語是收集。環境物聯網和能源收集是不同但相關的概念。能量收集是指利用、轉換和存儲來自太陽能、RF 波和物理振動等各種環境來源中能量的過程。

環境物聯網利用能源收集技術為針對依賴短程無線連接應用的新時代設備提供動力。這些應用包括智能家居設備，如開關和門鎖、智能建筑、資產跟蹤、智能電表和工廠自動化。

但在我們轉到環境物聯網的這些應用之前，讓我們更深入地探討為什么節能解決方案不僅對物聯網至關重要，而且可能帶來根本性的變化。

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為什么設計師應該接受環境物聯網設計？

借助環境物聯網，我們備受喜愛的智能設備現在可以依靠自然能源來獲取電力并維持連接性，而不是依靠傳統電池。這些能源（如光、熱、運動等）不僅延長了設備的使用壽命，并且還顯著降低了電池對環境的不利影響。但是，依靠這些能源提供電力比依靠傳統電池有什么好處呢？為什么突然轉向通過可再生能源為設備供電？原因有很多：

為客戶創造更綠色環保的未來
不依賴電池或減少智能設備的電池消耗量有助于建立一個更健康的生態系統。如前所述，不當的電池回收或處置做法會釋放鉛、鎘、汞和鋰等有毒金屬，從而污染環境。

提高可擴展性
物聯網解決方案的強大程度取決于其網絡規模和采用規模。擁有更密集、更可靠的網絡可能會增加設備之間的通信范圍和頻率。例如在資產跟蹤中，與附近的網關通信很重要，以確保更好的可追溯性并降低丟失貴重物品的風險。另一個例子是智能建筑，以及如果部署了更多的傳感器，其能源等級將如何提高。如果這些傳感器中的每一個都需要電池成本和更換，那么規模效益就會降低。將無電池節點集成到網絡中有助于緩解此問題。此外，需要不斷更換電池帶來了需求的增長，當供應無法跟上這種不斷增長的需求時，將導致可擴展性問題。

有助于長期節約成本
不依靠傳統電池為您的設備供電，可能會以多種方式影響 BoM 成本。一方面，它可以通過消除不斷更換電池的需要來降低這種成本。另一方面，它也可能增加 BoM 成本，因為安裝集成電源管理系統等能量收集組件可能比傳統電池更昂貴。然而，無電池設備的減少維護和更長使用壽命所帶來的長期成本節約往往超過開發這些設備的初始成本增加。

此外，傳統電池必須定期更換或充電。這種維護不僅耗時，而且還增加了與擁有和維護智能設備相關的總成本。僅在美國，平均每個家庭每年就會購買 90 塊以上的電池，其中大多數甚至沒有 10 年的使用壽命。

促進創新
無電池體系結構通過消除之前為傳統電池預留的插座這一需求，實現更緊湊的設備。這對于可穿戴設備和植入式醫療設備等尺寸和重量至關重要的設備尤其有益。這種無電池設計還有助于創造更耐用的設備，消除與電池老化和故障相關的風險。此外，節省的硬件空間還可用于添加更多外圍設備，推動主板物理設計和技術功能的創新。這種面向無電池設備的推動作用也成為物聯網對生態友好和可持續創新發展的催化劑。

解鎖新用例
通過促進創新，環境物聯網還可以解鎖新的用例，這些用例在依賴電池的體系結構中并不方便實施。例如，在智能農業中，安裝在溫室中的作物管理應用在安裝后很難更換。其需要將傳感器安裝在現場各處，而且更換這些傳感器中的電池既不可避免，又費時費力、成本高昂。采用布線方式為這些系統供電的想法更加不切實際，因為電線容易因惡劣的應用條件而斷裂。溫室中充足的太陽能或機器上產生的大量振動可以很容易地進行收集，為這些傳感器提供動力。

雖然所有這些優勢都為環境物聯網造就了一個良好案例，但依靠自然資源為智能設備供電仍然帶來了一些挑戰。與傳統電池相比，環境物聯網能源只能產生有限的功率。這使得它們更適合消耗低到中等功率的智能設備。此外，環境物聯網最適合用于特定功能的設備，如信標、簡短的定期廣告或用于數據記錄狀態的網關間歇性連接，并且具有較低的可重配置性。這也是由于節能方法的電力供應有限。然而，這些類型的設備能夠考慮到能源的情況，因此能夠動態地做出基于能源感知的決策。例如，物聯網無線電可根據可用能源選擇縮短其有效載荷和間隔，而是選擇在更長時間內保持更深睡眠模式，同時再生更多能源。

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環境物聯網應用

現在，開發人員可以借助環境物聯網使用節能平臺來構建設備，從而最大限度地減少功耗，延長設備壽命，并減少設備對傳統電池的依賴。許多當前的物聯網應用都有可能轉向環境和功率優化的解決方案。

• 智能建筑： 采用 Zigbee Green Power 的動態脈沖收集無電池門把手和電燈開關控制，無需改造即可令開關在不同的空間內自由移動，從而減少不斷更換電池的需求，并使辦公樓更加智能。
• 資產跟蹤： 跟蹤和管理倉庫庫存具有挑戰性，但資產標簽和其他跟蹤系統使其容易許多！然而，這些方式需要經常更換電池。環境物聯網提供電池優化的解決方案，可減少對電池的依賴，或能讓采用無電池標簽設計，從而顯著改善手動條碼掃描。
• 農業： 傳感器用于幫助監測和繪制溫室和車輛狀況，獲取有關溫度、濕度和其他環境因素的實時信息，以及監測監測牛棚內的牛及其健康狀況。無電池解決方案無需不斷更換有助于自動化農業的傳感器中的電池，從而簡化智能農業的實施。
• 智能家居和家電： 門鎖、水龍頭和開關等智能家居電器有助于實現住宅自動化，并打造更智能、更互聯的家居。在此用例中，通過使用能量收集設計，可以消除電池依賴性及與其相關的更換成本。電力收集發電機。
• 游戲類電子設備：室內太陽能和 RF 供電的電視遙控器和計算機鍵盤都能提供節能且經濟高效的藍牙解決方案。

其他一些關鍵應用包括輪胎壓力監測傳感器 (TPMS)、ESL、工廠自動化和使用振動和熱能收集的預測性維護機器監測。

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Silicon Labs 和環境物聯網

隨著我們邁向智能設備更加互聯和智能的未來，物聯網領域的領軍者在這一轉變中不能落后，這一點很重要。專家和公司必須將時間和資源投入到環境物聯網和其他節能解決方案中，并保持領先地位，以實現其 ESG 目標。這將幫助我們駕馭更為可持續發展的物聯網未來，并幫助我們在技術進步和環境可持續性之間取得平衡。

在 Silicon Labs，我們的使命是實現無線連接設備，改變全球各行各業。在日益數字化的世界中實現無縫互連性是我們的首要任務。為了確保物聯網的未來對生態負責，我們現在已經優化了 xG22 系列 SoC（BG22E SoC 、MG22E SoC 和 FG22E SoC ），以納入支持能量收集的功能。

xG22E 具有兩個 Cortex-M33 和 Cortex M0+ 無線電內核，是我們迄今為止最節能的 SoC。對于希望構建可在電池優化的節能平臺上運行的低功耗、高性能智能設備的開發人員來說，這是理想的選擇。對于希望實施可提供超快、低能耗的冷啟動、低能耗的深度睡眠喚醒和高效的能源模式轉換，從而減少有害電流尖峰并防止對存儲單元造成損壞的解決方案的設備制造商來說，這是理想的選擇。

除了無線電板和 xG22E Explorer 套件之外，我們還與行業領先的 PMIC 提供商 e-peas 合作開發了 Explorer Kit Shield。該套件由 Explorer 套件和可安裝到 Explorer 套件板上的 3 屏蔽器組成。第一個屏蔽器允許使用替代電池化學成分和超級電容器進行實驗，第二個屏蔽器專門用于動力學/脈沖收集應用，第三個屏蔽器能讓開發人員同時使用雙收集源進行實驗。

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