互聯(lián)網(wǎng)之后的物聯(lián)網(wǎng)無疑預(yù)示著更大的發(fā)展機(jī)遇，眾多科技巨頭不謀而合紛紛布局物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。有機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2020年聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到甚至超過500億，物聯(lián)網(wǎng)將把家庭中的很多設(shè)備囊括進(jìn)來，其中小到智能恒溫器，可穿戴設(shè)備名大到智能電冰箱，蓄勢已久的物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)在即。下圖匯總了各家機(jī)構(gòu)和公司對物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模的預(yù)測。
不過隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的與日俱增，如何解決供電和節(jié)能問題是一個不可繞過的挑戰(zhàn)，如何使物聯(lián)網(wǎng)變得綠色環(huán)保成為越來越受關(guān)注的話題！在近日由EEVIA聯(lián)合IC咖啡主辦的“2016中國ICT媒體論壇和產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會”上，針對物聯(lián)網(wǎng)趨勢下的傳感器供電問題，Cypress半導(dǎo)體模擬芯片產(chǎn)品經(jīng)理李冬冬先生向在場的記者和工程開發(fā)者展示了能量收集技術(shù)解決方案，并介紹了最新的超低功耗、高集成度的全球最小尺寸能量收集芯片，可大幅減少電池使用數(shù)量，增加傳感器節(jié)點的應(yīng)用場景可能，讓無電池綠色環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的夢想照進(jìn)現(xiàn)實。
電池更換成無線傳感網(wǎng)應(yīng)用拓展“攔路虎”
“到2020年全球有500億部的設(shè)備/器件會被連接到網(wǎng)絡(luò)，其中將有超過50億是無線連接的，占到10%-20%連，這意味著至少有50億的無線傳感器需要供電。每年更換巨量的電池將造成極大的浪費，環(huán)境污染、高額人工維護(hù)費用勢必嚴(yán)重制約無線傳感網(wǎng)發(fā)展。供電問題無疑成為無線傳感網(wǎng)將面臨的巨大挑戰(zhàn)?！崩疃U述道。
無線傳感網(wǎng)自20世紀(jì)90年代末提出研究以來，由于其巨大應(yīng)用價值已經(jīng)引起了各國軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。例如，DAIRYMASTER是一家歐洲奶酪業(yè)設(shè)備廠家，開發(fā)了一套自動發(fā)情檢測系統(tǒng)Moo-Monitor，可以對母牛進(jìn)行24小時監(jiān)測，一旦牛出現(xiàn)發(fā)情狀況，Moo-Monitor會將信息告訴農(nóng)場主，準(zhǔn)確率可以達(dá)到88.6%。如果這個系統(tǒng)在美國得到普及，可以提高3億美金的奶酪產(chǎn)量。
不過，為成千上萬頭奶牛更換監(jiān)測設(shè)備的電池卻無疑是一場噩夢！使無線傳感網(wǎng)不間斷工作成為當(dāng)下這類系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過程中，無線傳感節(jié)點的電池能量是眾多制約條件中最為重要也是最為致命的關(guān)鍵因素。
利用能量收集技術(shù)使無線傳感節(jié)點從環(huán)境中收集能量，具有能量補(bǔ)充的能力，從而使無線傳感節(jié)點避免能量單向遞減過程，并進(jìn)一步利用能量管理與能量轉(zhuǎn)移技術(shù)達(dá)到無線節(jié)點的永久壽命與無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線使用的目的。那么，其工作原理是怎樣的呢？無線傳感節(jié)點通過溫度、濕度、亮度、壓力等傳感器感應(yīng)環(huán)境狀態(tài)，在微計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過無線向云網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，完成進(jìn)一步的能量收集。
目前無線傳感網(wǎng)已成功運用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域，帶來不俗的經(jīng)濟(jì)效益，隨著能源收集技術(shù)的完善成熟，無線傳感網(wǎng)應(yīng)用會更加廣闊。李冬冬展示了幾個采用 Cypress太陽能供電方案的無電池?zé)o線傳感節(jié)點應(yīng)用場景案例：
例如，Misfit此前發(fā)布紫羅蘭版施華洛世奇Shine是世界上首款不需充電或更換電池的運動睡眠追蹤器，用戶可以把手環(huán)暴露在陽光、LED 燈光或鹵素?zé)粝逻M(jìn)行充電。它具備Shine的主要硬件功能，包括記步、睡眠質(zhì)量和卡路里消耗檢測等基本功能，防水深度可達(dá)50米。在外觀設(shè)計方面，紫羅蘭版施華洛世奇Shine的表盤水晶就是一個小型太陽能電池板，可以有效地收集、貯蓄太陽能并給設(shè)備供電。
而在工業(yè)、軍事應(yīng)用和環(huán)境監(jiān)測等將配備成千上萬數(shù)量的無線傳感節(jié)點的應(yīng)用場合，人們更是無法也不可能對電池能量耗盡的節(jié)點進(jìn)行一一更換的。例如為了監(jiān)測大象海豹從美國東海岸游回到阿拉斯加的路線，需要在海豹身上放一個檢測器，如使用電池進(jìn)行供電，其能量只能提供一半路程的能耗，能量收集技術(shù)顯然成為更佳的供電方式，檢測器可在海豹游泳和潛水時利用太陽能和力學(xué)能源進(jìn)行發(fā)電。
低功耗、高集成，能量收集技術(shù)成就“綠色”物聯(lián)網(wǎng)
Gartner去年公布的新興技術(shù)周期圖顯示，2015年IoT成為最被期待的新興技術(shù)，與之相關(guān)的IOT平臺同樣受到強(qiáng)烈的關(guān)注，未來5到10年IoT技術(shù)將趨于成熟。無線傳感網(wǎng)的普及是大勢所趨，可以預(yù)見電池供電的局限性將日益突顯，日益成熟的能量收集技術(shù)勢必逐漸取代電池，成為無線傳感器的標(biāo)配。
能量收集系統(tǒng)由能量收集、能量控制、能量消耗三部分組成。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前存在眾多的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，使無線傳感節(jié)點能夠從環(huán)境中采集或收獲能量，如日常生活中最常見的光能、動能和熱能。與無線傳感網(wǎng)相似，能量采集技術(shù)也是與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)的。其中最常用的有太陽能電池技術(shù)，此外還有振動取電、溫差取電以及依賴機(jī)械運動引發(fā)等各種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。
能量轉(zhuǎn)換的方式不同，能量收集技術(shù)要求卻是殊途同歸。除了模塊本身需要低功耗，還要考慮特殊的應(yīng)用場景，比如在光照弱的地方、對空間/尺寸要求極嚴(yán)格的環(huán)境條件等等?！澳芰渴占⒉皇呛唵蔚亟由咸柲苊姘寰涂梢粤?，還需要存儲的計算和穩(wěn)壓的過程，計算的數(shù)量級是很大的，基于能量收集、轉(zhuǎn)換、存儲的無線傳感網(wǎng)設(shè)計工作也非常復(fù)雜，需要模擬技術(shù)經(jīng)驗，而且占位面積和尺寸要非常小。這些都是工程師所面臨的挑戰(zhàn)，Cypress正致力于幫助解決這些挑戰(zhàn)?！崩疃硎?。
他向論壇現(xiàn)場觀眾展示了Cypress最新研發(fā)的超低功耗、超高集成度能量收集模塊，可替代傳統(tǒng)型的“藍(lán)牙芯片+天線模式+硬幣電池”方案，可幫助工程師實現(xiàn)完美設(shè)計，只需要一平方厘米的串聯(lián)太陽能面板電池就可以讓這個模塊中的PMIC芯片和藍(lán)牙模塊工作起來，使得消耗最低電力和最小尺寸的無電池?zé)o線傳感器節(jié)點的設(shè)計成為可能。
Cypress能量收集技術(shù)獲評“CES十大最佳技術(shù)”
Cypress這款最新能量收集PMIC芯片以及全球最小的藍(lán)牙無線傳感器，大小與人的拇指相差不多，非常適合對體積要求高的設(shè)計開發(fā)。這兩款產(chǎn)品特點突出：一是功耗低，電流只有250nA，這個數(shù)據(jù)做到了全球第一；此外產(chǎn)品集成度非常高，不需要外圍搭乘任何電源芯片。
在不久前閉幕的2016 CES上，Cypress就展示了這款能量收集模塊和太陽能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)套件，該開發(fā)套件能夠自行發(fā)電并可以嵌入到其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，被VentureBeat的著名記者Dean Takahashi列為“CES展會十佳技術(shù)”之一，其不俗的創(chuàng)新實力可見一斑。
此外，除了上面的1cm2的太陽能WSN，李冬冬在本次論壇現(xiàn)場還通過Q&A互動送出若干套價值49美元的Cypress太陽能供電IoT系統(tǒng)開發(fā)套件，該套件對提高開發(fā)者的工作效率有很大的幫助，Cypress為該套件和相關(guān)設(shè)計提供技術(shù)支持，最大程度提高開發(fā)者體驗。
結(jié)束語
時至今日，只有不到0.1%的設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)條件，未來無線聯(lián)網(wǎng)市場潛力非常巨大。Cypress以前瞻性的眼光布局能量收集技術(shù)領(lǐng)域，占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)高地。可以預(yù)見，并不新鮮的能量采集技術(shù)站在物聯(lián)網(wǎng)“風(fēng)口”上將飛得更高且更遠(yuǎn)，而Cypress等公司的經(jīng)過市場驗證的創(chuàng)新成熟方案涌現(xiàn)使我們堅信：“綠色物聯(lián)網(wǎng)”正加速到來！