物联网（IoT）正在迅速改变我们的生活和工作方式；数十亿台互联设备实现了更智能的家居、自动化建筑以及更高工业效率。然而，随着物联网的普及，如何为这些设备提供可持续的电力供应也成为挑战。根据IoT Analytics的数据，到2030年，物联网设备的数量预计将达到400亿台，较现在增长140%。对无线且始终在线的连接需求不断增长，意味着更多设备依赖电池——这导致需要频繁更换电池、成本上升以及电子垃圾激增。欧洲委员会估计，每天将有7,800万块物联网设备电池被丢弃，考虑到妥善处理电池的选择十分有限，这无疑是一个令人震惊的环境问题。
为克服这些挑战，行业正转向能量收集技术——这是一种从环境中捕获能量来为设备供电而无需电池的技术。为了展示智能家居设备如何在不需要更换电池的情况下可靠运行，比利时创新企业 e-peas 半导体公司正在开创新的能量收集解决方案。
向自供电物联网的转变
能量收集技术能够捕获环境中的能源，如环境光、热或运动，并将其转化为可用的电能（见表1）。采用能量收集技术的设备无需更换或丢弃电池，可在没有人工干预的情况下运行数年，为智能家居、工业自动化等领域提供了变革性的替代方案。
得益于对低维护、环保物联网解决方案的需求，能量收集市场正在崛起，预计到2030年将达到10亿美元的规模。然而，实现能量收集不仅要有能量源，还需要智能电源管理来确保高效的能源捕获与分配。
克服能量收集应用中的常见挑战
尽管能量收集潜力巨大，但在物联网设计中采用该技术仍面对一些技术层面的误解，尤其是在储能管理和系统可靠性方面。然而，这些担忧往往源于过时的假设。每个能量收集系统的核心都包含三个基本要素：能量源、储能元件以及应用本身。
人们通常对环境能量源的可靠性和集成储能元件的复杂性存在疑虑。然而，当与现代电源管理集成电路（PMIC）及紧凑、可充电的储能元件搭配使用时，能量收集不仅可行，而且效率极高，设置和集成的复杂性也显著降低。与大型一次性电池不同，专为能量收集设计的储能元件更小、更轻、寿命更长，在外形尺寸、碳足迹和总拥有成本方面具有明显优势。
另一个常见的误解围绕能量收集效率展开。当系统性能未达预期时，人们很容易将其归咎于较低的能量转换率。然而，系统能否成功，在很大程度上不仅取决于能量收集芯片本身，还取决于PMIC管理和调节功率流的能力——即优化能量的捕获、存储以及向应用的输送方式。因此，选择一款能与高性能连接片上系统（SoC）无缝集成的高质量PMIC至关重要。
e-peas与Qorvo在Matter协议照明开关上的合作便是一个极具说服力的例子。尽管光伏电池负责提供能量，但AEM13920 EH-PMIC确保了能量被高效采集并合理利用；它为储能元件充电，防止其过充或深度放电，保障系统平稳运行。与此同时，Qorvo的QPG6200片上系统（SoC）负责通信与连接，使该照明开关能够无缝融入现代智能家居生态系统。
简而言之，要实现能量收集在实际应用中的可靠效果，并非在于突破环境能量源本身的极限，而是要从智能电源管理入手，做出明智的设计决策。
无电池创新方案推动智能家居发展
能量收集最具前景的应用领域之一便是智能家居自动化；在这一领域，减少对电池的依赖既能提升便利性，又增强了可持续性。为了消除电池浪费、简化智能家居系统，e-peas与Qorvo共同研发了一款基于室内光能量收集、支持Matter™协议的创新型照明开关。
这款无电池照明开关的核心部件是一个光伏（PV）电池，它能够吸收环境光并将其转化为电能。随后， e-peas的能量收集PMIC对这部分能量进行捕获和调节；这款PMIC在优化功率传输、提供稳定电压以及防止储能元件过充或深度放电方面发挥着关键作用。该PMIC配备了I2C总线接口，可与系统的SoC通信，从而实现对储能元件电压的实时监测以及额外的系统诊断。这一级别的可视化不仅提高了系统的可靠性，还支持诸如自适应电源管理和根据可用能量进行性能调优等高阶功能。
能量存储后，将为Qorvo的Matter SoC供电；其中，这一SoC负责管理照明开关在智能家居生态系统中的连接与通信。作为一款多标准连接解决方案，e-peas选择采用QPG6200是因为其独特的ConcurrentConnect™技术。该技术能够实现与Matter、Zigbee、低功耗蓝牙和Thread顺畅、可靠的集成，确保同多种设备的广泛兼容性。当按下开关时，它会向连接的照明网络发送信号，无需有线电源或电池即可点亮灯光。
通过利用环境能量，e-peas智能照明开关的设计使其能够运行超过十年而无需任何维护。其无电池设计不仅省去了电池更换成本，还带来更大的安装灵活性——业主和企业可以将开关安装在任何位置，无需担心布线限制。
超越智能家居：无电池物联网的未来
能量收集技术与智能家居设备有着天然的契合点；当然，这一技术的应用潜力更远不止于照明控制。在未来几年，自供电物联网设备有望消除偏远或难以到达地区的电池维护需求，从而推动各行业实现变革。
能量收集的未来应用领域包括：
-
可穿戴健康设备 – 实现持续监测，无需充电或更换电池。
-
智能基础设施传感器 – 为桥梁、道路和铁路配备自供电传感器，确保对建筑结构进行长期健康监测。
-
公共交通与运输 – 利用动能收集技术为车辆追踪和运行传感器供电。
-
灾害应急系统 – 在电力供应受限的应急区域，使用自主、自维持的设备。
这些领域越来越多地采用能量收集解决方案，反映了一个更大的行业趋势：向真正自主的物联网发展，实现高效、可持续运行，且无需维护。
引领可持续物联网的潮流
基于能量收集技术的Matter照明开关，便是该技术从概念走向现实的典范。通过利用环境能源，无电池智能家居解决方案正逐渐变得切实可行，这不仅降低了对环境的影响，还使物联网设备的管理更加便捷。随着能量收集技术的不断演进，其重新定义设备供电方式的潜力正逐步显现。无论是在智能家居、工业环境还是公共基础设施领域，物联网的未来正朝着更智能、更高效且真正自维持的解决方案迈进。
作为连接领域的领军企业，Qorvo拥有由前沿创新产业合作伙伴构建的广泛生态系统。其与e-peas在Matter照明开关项目上的合作，标志着Matter协议在物联网应用推广方面又迈出了关键一步。
