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应对“绿色”物联网的极小能量收集方案
newmaker    来源:电子工程专辑
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电池/开关电源展厅
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互联网之后的物联网无疑预示着更大的发展机遇,众多科技巨头不谋而合纷纷布局物联网领域。有机构预测,到2020年联网设备的总数将达到甚至超过500亿,物联网将把家庭中的很多设备囊括进来,其中小到智能恒温器,可穿戴设备名大到智能电冰箱,蓄势已久的物联网爆发在即。下图汇总了各家机构和公司对物联网市场规模的预测。

不过随着联网设备的与日俱增,如何解决供电和节能问题是一个不可绕过的挑战,如何使物联网变得绿色环保成为越来越受关注的话题!在近日由EEVIA联合IC咖啡主办的“2016中国ICT媒体论坛和产业和技术展望研讨会”上,针对物联网趋势下的传感器供电问题,Cypress半导体模拟芯片产品经理李冬冬先生向在场的记者和工程开发者展示了能量收集技术解决方案,并介绍了最新的超低功耗、高集成度的全球最小尺寸能量收集芯片,可大幅减少电池使用数量,增加传感器节点的应用场景可能,让无电池绿色环保物联网的梦想照进现实。

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电池更换成无线传感网应用拓展“拦路虎”

“到2020年全球有500亿部的设备/器件会被连接到网络,其中将有超过50亿是无线连接的,占到10%-20%连,这意味着至少有50亿的无线传感器需要供电。每年更换巨量的电池将造成极大的浪费,环境污染、高额人工维护费用势必严重制约无线传感网发展。供电问题无疑成为无线传感网将面临的巨大挑战。”李冬冬阐述道。

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无线传感网自20世纪90年代末提出研究以来,由于其巨大应用价值已经引起了各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。例如,DAIRYMASTER是一家欧洲奶酪业设备厂家,开发了一套自动发情检测系统Moo-Monitor,可以对母牛进行24小时监测,一旦牛出现发情状况,Moo-Monitor会将信息告诉农场主,准确率可以达到88.6%。如果这个系统在美国得到普及,可以提高3亿美金的奶酪产量。

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不过,为成千上万头奶牛更换监测设备的电池却无疑是一场噩梦!使无线传感网不间断工作成为当下这类系统面临的巨大挑战。在无线传感网络的应用过程中,无线传感节点的电池能量是众多制约条件中最为重要也是最为致命的关键因素。

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利用能量收集技术使无线传感节点从环境中收集能量,具有能量补充的能力,从而使无线传感节点避免能量单向递减过程,并进一步利用能量管理与能量转移技术达到无线节点的永久寿命与无线传感网络无线使用的目的。那么,其工作原理是怎样的呢?无线传感节点通过温度、湿度、亮度、压力等传感器感应环境状态,在微计算机进行数据处理后,通过无线向云网络发送数据,完成进一步的能量收集。

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目前无线传感网已成功运用到工业、农业、智能家居等领域,带来不俗的经济效益,随着能源收集技术的完善成熟,无线传感网应用会更加广阔。李冬冬展示了几个采用 Cypress太阳能供电方案的无电池无线传感节点应用场景案例:

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例如,Misfit此前发布紫罗兰版施华洛世奇Shine是世界上首款不需充电或更换电池的运动睡眠追踪器,用户可以把手环暴露在阳光、LED 灯光或卤素灯下进行充电。它具备Shine的主要硬件功能,包括记步、睡眠质量和卡路里消耗检测等基本功能,防水深度可达50米。在外观设计方面,紫罗兰版施华洛世奇Shine的表盘水晶就是一个小型太阳能电池板,可以有效地收集、贮蓄太阳能并给设备供电。

而在工业、军事应用和环境监测等将配备成千上万数量的无线传感节点的应用场合,人们更是无法也不可能对电池能量耗尽的节点进行一一更换的。例如为了监测大象海豹从美国东海岸游回到阿拉斯加的路线,需要在海豹身上放一个检测器,如使用电池进行供电,其能量只能提供一半路程的能耗,能量收集技术显然成为更佳的供电方式,检测器可在海豹游泳和潜水时利用太阳能和力学能源进行发电。

低功耗、高集成,能量收集技术成就“绿色”物联网

Gartner去年公布的新兴技术周期图显示,2015年IoT成为最被期待的新兴技术,与之相关的IOT平台同样受到强烈的关注,未来5到10年IoT技术将趋于成熟。无线传感网的普及是大势所趋,可以预见电池供电的局限性将日益突显,日益成熟的能量收集技术势必逐渐取代电池,成为无线传感器的标配。

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能量收集系统由能量收集、能量控制、能量消耗三部分组成。随着技术的进步,目前存在众多的能量转换技术,使无线传感节点能够从环境中采集或收获能量,如日常生活中最常见的光能、动能和热能。与无线传感网相似,能量采集技术也是与应用环境密切相关的。其中最常用的有太阳能电池技术,此外还有振动取电、温差取电以及依赖机械运动引发等各种能量转换技术。

能量转换的方式不同,能量收集技术要求却是殊途同归。除了模块本身需要低功耗,还要考虑特殊的应用场景,比如在光照弱的地方、对空间/尺寸要求极严格的环境条件等等。“能量收集并不是简单地接上太阳能面板就可以了,还需要存储的计算和稳压的过程,计算的数量级是很大的,基于能量收集、转换、存储的无线传感网设计工作也非常复杂,需要模拟技术经验,而且占位面积和尺寸要非常小。这些都是工程师所面临的挑战,Cypress正致力于帮助解决这些挑战。”李冬冬表示。

他向论坛现场观众展示了Cypress最新研发的超低功耗、超高集成度能量收集模块,可替代传统型的“蓝牙芯片+天线模式+硬币电池”方案,可帮助工程师实现完美设计,只需要一平方厘米的串联太阳能面板电池就可以让这个模块中的PMIC芯片和蓝牙模块工作起来,使得消耗最低电力和最小尺寸的无电池无线传感器节点的设计成为可能。

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Cypress能量收集技术获评“CES十大最佳技术”

Cypress这款最新能量收集PMIC芯片以及全球最小的蓝牙无线传感器,大小与人的拇指相差不多,非常适合对体积要求高的设计开发。这两款产品特点突出:一是功耗低,电流只有250nA,这个数据做到了全球第一;此外产品集成度非常高,不需要外围搭乘任何电源芯片。

在不久前闭幕的2016 CES上,Cypress就展示了这款能量收集模块和太阳能物联网设备开发套件,该开发套件能够自行发电并可以嵌入到其他物联网应用中,被VentureBeat的著名记者Dean Takahashi列为“CES展会十佳技术”之一,其不俗的创新实力可见一斑。

此外,除了上面的1cm2的太阳能WSN,李冬冬在本次论坛现场还通过Q&A互动送出若干套价值49美元的Cypress太阳能供电IoT系统开发套件,该套件对提高开发者的工作效率有很大的帮助,Cypress为该套件和相关设计提供技术支持,最大程度提高开发者体验。

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结束语

时至今日,只有不到0.1%的设备具备联网条件,未来无线联网市场潜力非常巨大。Cypress以前瞻性的眼光布局能量收集技术领域,占领物联网高地。可以预见,并不新鲜的能量采集技术站在物联网“风口”上将飞得更高且更远,而Cypress等公司的经过市场验证的创新成熟方案涌现使我们坚信:“绿色物联网”正加速到来!(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2016-2-26)
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