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易維訊供稿 互聯網之后的物聯網無疑預示著更大的發展機遇，眾多科技巨頭不謀而合紛紛布局物聯網領域。有機構預測，到2020年聯網設備的總數將達到甚至超過500億，物聯網將把家庭中的很多設備囊括進來，其中小到智能恒溫器，可穿戴設備名大到智能電冰箱，蓄勢已久的物聯網爆發在即。下圖匯總了各家機構和公司對物聯網市場規模的預測。 
不過隨著聯網設備的與日俱增，如何解決供電和節能問題是一個不可繞過的挑戰，如何使物聯網變得綠色環保成為越來越受關注的話題！在近日由EEVIA聯合IC咖啡主辦的“2016中國ICT媒體論壇和產業和技術展望研討會”上，針對物聯網趨勢下的傳感器供電問題，Cypress半導體模擬芯片產品經理李冬冬先生向在場的記者和工程開發者展示了能量收集技術解決方案，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量，增加傳感器節點的應用場景可能，讓無電池綠色環保物聯網的夢想照進現實。 電池更換成無線傳感網應用拓展“攔路虎” “到2020年全球有500億部的設備/器件會被連接到網絡，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，環境污染、高額人工維護費用勢必嚴重制約無線傳感網發展。供電問題無疑成為無線傳感網將面臨的巨大挑戰。”李冬冬闡述道。
無線傳感網自20世紀90年代末提出研究以來，由于其巨大應用價值已經引起了各國軍事部門、工業界和學術界的極大關注。例如，DAIRYMASTER是一家歐洲奶酪業設備廠家，開發了一套自動發情檢測系統Moo-Monitor，可以對母牛進行24小時監測，一旦牛出現發情狀況，Moo-Monitor會將信息告訴農場主，準確率可以達到88.6%。如果這個系統在美國得到普及，可以提高3億美金的奶酪產量。
不過，為成千上萬頭奶牛更換監測設備的電池卻無疑是一場噩夢！使無線傳感網不間斷工作成為當下這類系統面臨的巨大挑戰。在無線傳感網絡的應用過程中，無線傳感節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鍵因素。
利用能量收集技術使無線傳感節點從環境中收集能量，具有能量補充的能力，從而使無線傳感節點避免能量單向遞減過程，并進一步利用能量管理與能量轉移技術達到無線節點的永久壽命與無線傳感網絡無線使用的目的。那么，其工作原理是怎樣的呢？無線傳感節點通過溫度、濕度、亮度、壓力等傳感器感應環境狀態，在微計算機進行數據處理后，通過無線向云網絡發送數據，完成進一步的能量收集。
目前無線傳感網已成功運用到工業、農業、智能家居等領域，帶來不俗的經濟效益，隨著能源收集技術的完善成熟，無線傳感網應用會更加廣闊。李冬冬展示了幾個采用 Cypress太陽能供電方案的無電池無線傳感節點應用場景案例：
例如，Misfit此前發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，用戶可以把手環暴露在陽光、LED 燈光或鹵素燈下進行充電。它具備Shine的主要硬件功能，包括記步、睡眠質量和卡路里消耗檢測等基本功能，防水深度可達50米。在外觀設計方面，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、貯蓄太陽能并給設備供電。 而在工業、軍事應用和環境監測等將配備成千上萬數量的無線傳感節點的應用場合，人們更是無法也不可能對電池能量耗盡的節點進行一一更換的。例如為了監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，如使用電池進行供電，其能量只能提供一半路程的能耗，能量收集技術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能源進行發電。 低功耗、高集成，能量收集技術成就“綠色”物聯網 Gartner去年公布的新興技術周期圖顯示，2015年IoT成為最被期待的新興技術，與之相關的IOT平臺同樣受到強烈的關注，未來5到10年IoT技術將趨于成熟。無線傳感網的普及是大勢所趨，可以預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勢必逐漸取代電池，成為無線傳感器的標配。
能量收集系統由能量收集、能量控制、能量消耗三部分組成。隨著技術的進步，目前存在眾多的能量轉換技術，使無線傳感節點能夠從環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。與無線傳感網相似，能量采集技術也是與應用環境密切相關的。其中最常用的有太陽能電池技術，此外還有振動取電、溫差取電以及依賴機械運動引發等各種能量轉換技術。 能量轉換的方式不同，能量收集技術要求卻是殊途同歸。除了模塊本身需要低功耗，還要考慮特殊的應用場景，比如在光照弱的地方、對空間/尺寸要求極嚴格的環境條件等等。“能量收集并不是簡單地接上太陽能面板就可以了，還需要存儲的計算和穩壓的過程，計算的數量級是很大的，基于能量收集、轉換、存儲的無線傳感網設計工作也非常復雜，需要模擬技術經驗，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，Cypress正致力于幫助解決這些挑戰。”李冬冬表示。 他向論壇現場觀眾展示了Cypress最新研發的超低功耗、超高集成度能量收集模塊，可替代傳統型的“藍牙芯片+天線模式+硬幣電池”方案，可幫助工程師實現完美設計，只需要一平方厘米的串聯太陽能面板電池就可以讓這個模塊中的PMIC芯片和藍牙模塊工作起來，使得消耗最低電力和最小尺寸的無電池無線傳感器節點的設計成為可能。
Cypress能量收集技術獲評“CES十大最佳技術” Cypress這款最新能量收集PMIC芯片以及全球最小的藍牙無線傳感器，大小與人的拇指相差不多，非常適合對體積要求高的設計開發。這兩款產品特點突出：一是功耗低，電流只有250nA，這個數據做到了全球第一；此外產品集成度非常高，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網設備開發套件，該開發套件能夠自行發電并可以嵌入到其他物聯網應用中，被VentureBeat的著名記者Dean Takahashi列為“CES展會十佳技術”之一，其不俗的創新實力可見一斑。 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系統開發套件，該套件對提高開發者的工作效率有很大的幫助，Cypress為該套件和相關設計提供技術支持，最大程度提高開發者體驗。
結束語 時至今日，只有不到0.1%的設備具備聯網條件，未來無線聯網市場潛力非常巨大。Cypress以前瞻性的眼光布局能量收集技術領域，占領物聯網高地。可以預見，并不新鮮的能量采集技術站在物聯網“風口”上將飛得更高且更遠，而Cypress等公司的經過市場驗證的創新成熟方案涌現使我們堅信：“綠色物聯網”正加速到來！ |
