針對低功耗 IoT 裝置的最佳化能量收集方法

隨著物聯網（IoT）應用範圍的快速擴展，長期供電的穩定性與降低維護成本已成為重要課題。特別是 低功耗 IoT 感測器 ，若能將電池更換週期降到最低，甚至完全不使用電池，對於營運效率與環境永續都有顯著的好處。而讓這一切成為可能的技術，正是 能量收集（Energy Harvesting） 。 什麼是能量收集？ 能量收集是指將周圍環境中存在的各種微小能量收集並轉換成電能的技術。透過將太陽光、熱能、震動以及無線電波等來源轉換成小型電子裝置的運行電力，使其在沒有外部電源的情況下長時間運作。 適合低功耗 IoT 的主要能量來源 室內太陽能光伏（PV） 在 200~400 lux 的辦公室照度環境下，可穩定提供 15~35 μW/cm² 的電力。適用於固定式感測器或環境監測設備。 熱能（TEG） 利用體溫或工業設備的廢熱，可產生數 μW 到數十 μW/cm² 的電力。對於穿戴式裝置或廢熱回收感測器特別有效。 震動能（壓電元件） 將工業機械、橋樑或道路的結構震動轉換為電力。在高震動環境中，可產生 mW 級電力；人體動作一般為 μW 到數百 μW。 射頻能量（RF） 從 Wi-Fi、行動通訊基地台、廣播訊號等收集少量電力。輸出功率低，但可作為超低功耗感測器的待機電力補充來源。 高效設計策略 環境分析 ：測量安裝地點的光照、溫差、震動與射頻強度，以判斷最穩定的能量來源。 電源管理 IC（PMIC） ：必須具備超低功耗啟動、最大功率點追蹤（MPPT）以及電池保護功能。 混合電源配置 ：將能量收集與超級電容或可充電電池結合，以應對尖峰負載。 韌體最佳化 ：依電力狀況動態調整感測與傳輸週期。 應用範例 基於能量收集的 IoT 解決方案已廣泛應用於智慧建築的溫濕度監測、橋樑結構安全監控、農業環境數據收集以及工業設備診斷等領域。特別是在偏遠地區或電池更換成本高的地方，其效益尤為顯著。 結論 將最佳化的能量收集技術應用於低功耗 IoT 裝置，可實現 長期自主運作 ，同時降低維護成本並促進環境保護。成功的關鍵在於根據安裝環境選擇合適的能量來源，並實施精確的電源管理策略。