互聯(lián)網(wǎng)之后的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)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(cè)，到2020年聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到甚至超過(guò)500億，物聯(lián)網(wǎng)將把家庭中的很多設(shè)備囊括進(jìn)來(lái)，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(shì)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模的預(yù)測(cè)。
電池更換成無(wú)線(xiàn)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(huì)被連接到網(wǎng)絡(luò)，其中將有超過(guò)50億是無(wú)線(xiàn)連接的，占到10%-20%連，這意味著至少有50億的無(wú)線(xiàn)傳感器需要供電。每年更換巨量的電池將造成極大的浪費(fèi)，環(huán)境污染、高額人工維護(hù)費(fèi)用勢(shì)必嚴(yán)重制約無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)發(fā)展。供電問(wèn)題無(wú)疑成為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)將面臨的巨大挑戰(zhàn)。”Cypress半導(dǎo)體模擬芯片產(chǎn)品經(jīng)理李冬冬表示。
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)自20世紀(jì)90年代末提出研究以來(lái)，由于其巨大應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)引起了各國(guó)軍事部門(mén)、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(chǎng)家，開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)Moo-Monitor，可以對(duì)母牛進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦牛出現(xiàn)發(fā)情狀況，Moo-Monitor會(huì)將信息告訴農(nóng)場(chǎng)主，準(zhǔn)確率可以達(dá)到88.6%。如果這個(gè)系統(tǒng)在美國(guó)得到普及，可以提高3億美金的奶酪產(chǎn)量。
不過(guò)，為成千上萬(wàn)頭奶牛c監(jiān)測(cè)設(shè)備的電池卻無(wú)疑是一場(chǎng)噩夢(mèng)！使無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)不間斷工作成為當(dāng)下這類(lèi)系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)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。
利用能量采集技術(shù)使無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)從環(huán)境中采集能量，具有能量補(bǔ)充的能力，從而使無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)避免能量單向遞減過(guò)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(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的永久壽命與無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)使用的目的。那么，其工作原理是怎樣的呢？無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度、濕度、亮度、壓力等傳感器感應(yīng)環(huán)境狀態(tài)，在微計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)向云網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，完成進(jìn)一步的能量采集。
目前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)已成功運(yùn)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域，帶來(lái)不俗的經(jīng)濟(jì)效益，隨著能源采集技術(shù)的完善成熟，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應(yīng)用會(huì)更加廣闊。
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(yùn)動(dòng)睡眠追蹤器，用戶(hù)可以把手環(huán)暴露在陽(yáng)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(cè)等基本功能，防水深度可達(dá)50米。在外觀(guān)設(shè)計(jì)方面，紫羅蘭版施華洛世奇Shine的表盤(pán)水晶就是一個(gè)小型太陽(yáng)能電池板，可以有效地采集、貯蓄太陽(yáng)能并給設(shè)備供電。
低功耗、高集成，能量采集技術(shù)成就“綠色”物聯(lián)網(wǎng)
而在工業(yè)、軍事應(yīng)用和環(huán)境監(jiān)測(cè)等將配備成千上萬(wàn)數(shù)量的無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，人們更是無(wú)法也不可能對(duì)電池能量耗盡的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一一更換的。例如為了監(jiān)測(cè)大象海豹從美國(guó)東海岸游回到阿拉斯加的路線(xiàn)，需要在海豹身上放一個(gè)檢測(cè)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，能量采集技術(shù)顯然成為更佳的供電方式，檢測(cè)器可在海豹游泳和潛水時(shí)利用太陽(yáng)能和力學(xué)能源進(jìn)行發(fā)電。
能量采集系統(tǒng)由能量采集、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(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)能夠從環(huán)境中采集或收獲能量，如日常生活中最常見(jiàn)的光能、動(dòng)能和熱能。與無(wú)線(xiàn)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(yáng)能電池技術(shù)，此外還有振動(dòng)取電、溫差取電以及依賴(lài)機(jī)械運(yùn)動(dòng)引發(fā)等各種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。
Cypress最新研發(fā)的超低功耗、超高集成度能量采集模塊，可替代傳統(tǒng)型的“藍(lán)牙芯片+天線(xiàn)模式+硬幣電池”方案。只需要一平方厘米的串聯(lián)太陽(yáng)能面板電池就可以讓這個(gè)模塊中的PMIC芯片和藍(lán)牙模塊工作起來(lái)，使得消耗最低電力和最小尺寸的無(wú)電池?zé)o線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成為可能。
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(tái)同樣受到強(qiáng)烈的關(guān)注，未來(lái)5到10年IoT技術(shù)將趨于成熟。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的普及是大勢(shì)所趨，可以預(yù)見(jiàn)電池供電的局限性將日益突顯，日益成熟的能量采集技術(shù)勢(shì)必逐漸取代電池，成為無(wú)線(xiàn)傳感器的標(biāo)配。
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