確保物聯(lián)網(wǎng)的高能效

作者 / Bruno Damien 安森美半導體

摘要： 分析師預估，聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)數將在短短幾年內達到數十億，突顯物聯(lián)網(wǎng)的巨大潛力。物聯(lián)網(wǎng)成功的關(guān)鍵和核心是以高能量和高成本效益的方式感知、處理、控制和通信的能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)來(lái)了，且將有很大規模!

　　分析師預估，聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)數將在短短幾年內達到數十億，突顯物聯(lián)網(wǎng)的巨大潛力。與許多其他量子工業(yè)和消費技術(shù)的飛躍一樣，電子、創(chuàng )新工程和技術(shù)是核心推動(dòng)力。物聯(lián)網(wǎng)成功的關(guān)鍵和核心是以高能量和高成本效益的方式感知、處理、控制和通信的能力。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，電子產(chǎn)業(yè)也許受到巨大而令人興奮的廣闊市場(chǎng)潛力的推動(dòng)，已非常迅速地發(fā)展到人們對物聯(lián)網(wǎng)及其支持的生態(tài)系統感興趣和開(kāi)發(fā)一系列活動(dòng)。在許多情況下，這通過(guò)令人興奮和使能的硬件和軟件技術(shù)刺激了創(chuàng )新。

　　物聯(lián)網(wǎng)的“病毒波”是如此之強，以至于它影響到以前無(wú)人想到的物體，包括從電動(dòng)工具、牙刷到植物和牲畜等各種各樣的東西。我們可以把很多物體看成所謂的“數字雙胞胎(digital-twins)”，就像為人們提供的“(cloud-avatars)”一樣。

　　由聯(lián)接的智能對象提供的洞察力使實(shí)際行動(dòng)在效率收益、節省運營(yíng)成本、改善總體生活質(zhì)量等方面受益。而且，物聯(lián)網(wǎng)有可能對單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的數十億個(gè)物體產(chǎn)生積極影響。為了幫助形象化這一點(diǎn)，想想人類(lèi)大腦中無(wú)數的神經(jīng)連接。

　　《哈佛商業(yè)評論》在2014年11月的幾篇文章中描述了系統、和系統的系統之互聯(lián)(Michael E.Porter和James E.Heppelmann所著(zhù)的《智能互連的產(chǎn)品正如何改變競爭》)。這是“智能”所適用的，變得真實(shí)，甚至可能令人恐懼。

　　當今物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)化視圖如圖1所示。左邊是物聯(lián)網(wǎng)中最顯而易見(jiàn)的“聯(lián)接的”設備。右邊是我們看不見(jiàn)的區域，但對挖掘性能至關(guān)重要。這是人工智能領(lǐng)域;其中有物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、硬盤(pán)驅動(dòng)器、云計算、安全檢查等等。

2 能源挑戰

　　物聯(lián)網(wǎng)的兩端都有獨特的和截然不同的功耗要求，如圖2所示。

　　用一句話(huà)概述，我們有少量的云服務(wù)器(相對于物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)數)，它們的功耗要求很高。它們都是一直運行，產(chǎn)生巨大的能源預算。在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的另一端，我們有大量的終端節點(diǎn)，當它們處于活躍狀態(tài)時(shí)，功率需求有限，啟動(dòng)時(shí)間通常很短，和需要一種能源。

　　2018年6月，在法國南希舉行的2018年世界材料論壇(World Material Forum)舉行了一次題為“大數據/人工智能促進(jìn)材料效率(Big Data/AI for Materials Efficiency)”的專(zhuān)門(mén)會(huì )議。斯坦福大學(xué)教授Reinhold Dauskardt的演講稿給出了以下指標：

　　“僅美國的數據中心的年耗電量估計為900億千瓦時(shí)。這相當于34個(gè)500兆瓦的核電站反應堆，也就是法國核電站發(fā)電量的一半(約56座反應堆)?！?/p>

　　進(jìn)一步強調數據中心/云計算服務(wù)器資源的電力需求的統計數據顯示，2017年數據中心占全球用電量的3%?？赡苡行┤苏J為這是個(gè)很低的比例，但由于世界對數據的生成、消耗和移動(dòng)的無(wú)止境的渴望，有一種摩爾定律可適用于數據中心的能源消耗，即每四年增加一倍。按照這一速度，如果沒(méi)有任何更改，那么理論上說(shuō)，到2037年，計算機使用的電能將比目前全球生產(chǎn)的更多。

　　Reinhold Dauskardt接著(zhù)總結道：“未來(lái)20年，我們面臨的一個(gè)巨大挑戰是通過(guò)設計與互聯(lián)網(wǎng)相連、與電網(wǎng)斷開(kāi)的對象來(lái)減少物聯(lián)網(wǎng)的能源消耗?！彼鼈儽仨毷鞘‰姷?、自主的，并使用可想到的任何能源，如振動(dòng)、熱和光?！?/p>

　　在終端節點(diǎn)方面，正如前面所透露的，預測到2021年將部署數百億個(gè)節點(diǎn)。它們中的每一個(gè)都會(huì )有非常低的功耗，再加上有限的啟動(dòng)時(shí)間，這可能會(huì )導致個(gè)別能源預算低，這是很好的。但這種急劇的增長(cháng)仍與全球潛在的高耗電量相關(guān)。

3 免電池終端節點(diǎn)的能量采集

　　高能效是當今所有產(chǎn)品和服務(wù)的關(guān)鍵要求，將來(lái)更甚，原因我們已說(shuō)明。標準包括更低的運營(yíng)成本、法規遵從性、生態(tài)意識和電池使用壽命。大量物聯(lián)網(wǎng)邊緣節點(diǎn)可能是無(wú)線(xiàn)和電池供電的，超低功耗對于尋求開(kāi)發(fā)實(shí)用、可用方案的設備制造商更必要和重要。無(wú)線(xiàn)使部署的資本支出更低(即沒(méi)有布線(xiàn)成本和重量減輕)。免電池方案提供了更低的操作成本，并且由于不需要電池維護服務(wù)，因此可以完全避免與能量產(chǎn)生相關(guān)的污染。

　　那么，我們如何將聯(lián)接、感知和免電池操作結合起來(lái)呢?通過(guò)結合智能器件技術(shù)和可用通信協(xié)議，單端節點(diǎn)僅需100微焦耳的預算就可以實(shí)現聯(lián)接。迄今為止，許多現成的能量采集器能夠滿(mǎn)足這種水平的需求，能產(chǎn)生200到500微焦耳的能量。能量采集器可以由事件驅動(dòng)(如開(kāi)關(guān))或連續采集，例如太陽(yáng)能電池板或熱電發(fā)電機。

4 物聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)

　　藍牙是在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統中占主導市場(chǎng)份額的一個(gè)互聯(lián)標準。安森美半導體的RSL 10藍牙低功耗系統單芯片(SoC)平臺已確立了領(lǐng)先地位，并在物聯(lián)網(wǎng)應用方面實(shí)現了新的行業(yè)基準。同時(shí)，ZigBee協(xié)議的節能特性也支持自供電的或能量采集對象的連接。同樣，安森美半導體用于低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)的專(zhuān)有和Sigfox?低于1GHz收發(fā)器和SoC產(chǎn)品陣容，使用戶(hù)能擴展在窄帶傳輸應用中的聯(lián)接范圍。

　　由于提供聯(lián)接的SoC通常是物聯(lián)網(wǎng)設備開(kāi)發(fā)的首選，這些平臺為OEM和開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)方案的服務(wù)提供商提供了強有力的支持。

5 感知

　　能量采集智能無(wú)源傳感器(SPS)和近場(chǎng)通信(NFC) EEPROM相輔相成以提供創(chuàng )新的高能效感知方案。此外，位置跟蹤、環(huán)境光測量和運動(dòng)檢測也是了解機器和人類(lèi)環(huán)境的關(guān)鍵。讓這些器件工作，以提供現成的集成方案或可行的概念驗證的原型是個(gè)令人興奮的挑戰。在這里，諸如安森美半導體的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)套件(IDK)這樣的工具可順暢、加速和簡(jiǎn)化概念的開(kāi)發(fā)，使用戶(hù)能夠快速、輕松地測量、匯總和分析物聯(lián)網(wǎng)應用的數據。

　　物聯(lián)網(wǎng)的世界是“系統的系統”——它需要一個(gè)系統級的方案來(lái)實(shí)施。安森美半導體匯聚并開(kāi)發(fā)了用于物聯(lián)網(wǎng)及其生態(tài)系統的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)似乎勢不可擋，將對工業(yè)和消費領(lǐng)域的幾乎每一個(gè)領(lǐng)域的流程和“事物”產(chǎn)生積極影響。鑒于其潛在的規模，實(shí)現最佳能效至關(guān)重要。

6 能量采集的未來(lái)

　　開(kāi)發(fā)新的能源采集方案無(wú)疑具有很大的吸引力，不僅因為上述原因，還因為能量采集器本身主要依靠關(guān)鍵的供應來(lái)源。能夠從運動(dòng)中采集能量的超高效磁體的作用就像發(fā)電機。太陽(yáng)能電池獲取光子能量，有時(shí)將其儲存在鋰離子電池中。

　　現在采集器的主要原材料來(lái)源受到限制，并受到少數供應商的控制，位于數量非常有限的政府中。鑒于這些困難，世界范圍內的研發(fā)界都認為這是個(gè)非?！盁衢T(mén)”的話(huà)題。

　　如果我們希望這個(gè)顛覆性的機會(huì )實(shí)現預測的規模，人們只能鼓勵并且通過(guò)電子行業(yè)專(zhuān)家如安森美半導體的技術(shù)創(chuàng )新，支持和推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保方案的廣泛部署。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。