確保物聯(lián)網(wǎng)的高能效

作者：安森美半導(dǎo)體Bruno Damien

物聯(lián)網(wǎng)來了，且將有很大規(guī)模!

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一個(gè)廣義的縮略語，涉及將物體聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)云，以便使用算法和驅(qū)動(dòng)操作來管理情況。物聯(lián)網(wǎng)可對服務(wù)提供、效率、成本、可擴(kuò)展性和可靠性產(chǎn)生顛覆性的影響，跨越行業(yè)和消費(fèi)者的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎是無限的和不可思議的多樣化。分析師預(yù)估，聯(lián)接的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)將在短短幾年內(nèi)達(dá)到數(shù)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(fèi)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。

毫無疑問，電子產(chǎn)業(yè)也許受到巨大而令人興奮的廣闊市場潛力的推動(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(tǒng)感興趣和開發(fā)一系列活動(dòng)。在許多情況下，這通過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(qiáng)，以至于它影響到以前無人想到的物體，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(shù)字雙胞胎(digital-twins)”，就像為人們提供的“云-化身(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(jié)省運(yùn)營成本、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(shù)十億個(gè)物體產(chǎn)生積極影響。為了幫助形象化這一點(diǎn)，想想人類大腦中無數(shù)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(tǒng)、和系統(tǒng)的系統(tǒng)之互聯(lián)(Michael E.Porter和James E.Heppelmann所著的《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。

IoT Cloud Platform：無聯(lián)網(wǎng)云平臺

Device Sensors/Actuators：設(shè)備傳感器/執(zhí)行器

Network Gateway：網(wǎng)關(guān)

Applications：應(yīng)用

EACH ELEMENT HAS ITS OWN SPECIFIC HARDWARD AND SOFTWARE REQUIREMENT：各元素有其自身特定的硬件和軟件要求

圖1：簡化的物聯(lián)網(wǎng)視圖

當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的簡化視圖如圖1所示。左邊是物聯(lián)網(wǎng)中最顯而易見的“聯(lián)接的”設(shè)備。右邊是我們看不見的區(qū)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、硬盤驅(qū)動(dòng)器、云計(jì)算、安全檢查等等。

能源挑戰(zhàn)

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

End Node：終端節(jié)點(diǎn)

Network Gateway：網(wǎng)關(guān)

Cloud Server：云服務(wù)器

Energy：能源

Wireless And Battery-less：無線和更少電池

Units：器件單元

圖2：物聯(lián)網(wǎng)電源要求概覽

用一句話概述，我們有少量的云服務(wù)器(相對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù))，它們的功耗要求很高。它們都是一直運(yùn)行，產(chǎn)生巨大的能源預(yù)算。在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的另一端，我們有大量的終端節(jié)點(diǎn)，當(dāng)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(shù)據(jù)/人工智能促進(jìn)材料效率(Big Data/AI for Materials Efficiency)”的專門會(huì)議。斯坦福大學(xué)教授Reinhold Dauskardt的演講稿給出了以下指標(biāo)：

“僅美國的數(shù)據(jù)中心的年耗電量估計(jì)為900億千瓦時(shí)。這相當(dāng)于34個(gè)500兆瓦的核電站反應(yīng)堆，也就是法國核電站發(fā)電量的一半(約56座反應(yīng)堆)。”

進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)中心/云計(jì)算服務(wù)器資源的電力需求的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年數(shù)據(jù)中心占全球用電量的3%。可能有些人認(rèn)為這是個(gè)很低的比例，但由于世界對數(shù)據(jù)的生成、消耗和移動(dòng)的無止境的渴望，有一種摩爾定律可適用于數(shù)據(jù)中心的能源消耗，即每四年增加一倍。按照這一速度，如果沒有任何更改，那么理論上說，到2037年，計(jì)算機(jī)使用的電能將比目前全球生產(chǎn)的更多。

Reinhold Dauskardt接著總結(jié)道：“未來20年，我們面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是通過設(shè)計(jì)與互聯(lián)網(wǎng)相連、與電網(wǎng)斷開的對象來減少物聯(lián)網(wǎng)的能源消耗。”它們必須是省電的、自主的，并使用可想到的任何能源，如振動(dòng)、熱和光。”

在終端節(jié)點(diǎn)方面，正如前面所透露的，預(yù)測到2021年將部署數(shù)百億個(gè)節(jié)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(dǎo)致個(gè)別能源預(yù)算低，這是很好的。但這種急劇的增長仍與全球潛在的高耗電量相關(guān)。

免電池終端節(jié)點(diǎn)的能量采集

高能效是當(dāng)今所有產(chǎn)品和服務(wù)的關(guān)鍵要求，將來更甚，原因我們已說明。標(biāo)準(zhǔn)包括更低的運(yùn)營成本、法規(guī)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(jié)點(diǎn)可能是無線和電池供電的，超低功耗對于尋求開發(fā)實(shí)用、可用方案的設(shè)備制造商更必要和重要。無線使部署的資本支出更低(即沒有布線成本和重量減輕)。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(hù)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?nèi)绾螌⒙?lián)接、感知和免電池操作結(jié)合起來呢?通過結(jié)合智能器件技術(shù)和可用通信協(xié)議，單端節(jié)點(diǎn)僅需100微焦耳的預(yù)算就可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。迄今為止，許多現(xiàn)成的能量采集器能夠滿足這種水平的需求，能產(chǎn)生200到500微焦耳的能量。能量采集器可以由事件驅(qū)動(dòng)(如開關(guān))或連續(xù)采集，例如太陽能電池板或熱電發(fā)電機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)中的互聯(lián)

藍(lán)牙是在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中占主導(dǎo)市場份額的一個(gè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。安森美半導(dǎo)體的RSL 10藍(lán)牙低功耗系統(tǒng)單芯片(SoC)平臺已確立了領(lǐng)先地位，并在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了新的行業(yè)基準(zhǔn)。同時(shí)，ZigBee協(xié)議的節(jié)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(dǎo)體用于低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)的專有和Sigfox®低于1GHz收發(fā)器和SoC產(chǎn)品陣容，使用戶能擴(kuò)展在窄帶傳輸應(yīng)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(shè)備開發(fā)的首選，這些平臺為OEM和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)方案的服務(wù)提供商提供了強(qiáng)有力的支持。

IoT Development Kit：物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件

圖3：安森美半導(dǎo)體的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件

感知

能量采集智能無源傳感器(SPS)和近場通信(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(yùn)動(dòng)檢測也是了解機(jī)器和人類環(huán)境的關(guān)鍵。讓這些器件工作，以提供現(xiàn)成的集成方案或可行的概念驗(yàn)證的原型是個(gè)令人興奮的挑戰(zhàn)。在這里，諸如安森美半導(dǎo)體的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件(IDK)這樣的工具可順暢、加速和簡化概念的開發(fā)，使用戶能夠快速、輕松地測量、匯總和分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)的世界是“系統(tǒng)的系統(tǒng)”-它需要一個(gè)系統(tǒng)級的方案來實(shí)施。安森美半導(dǎo)體匯聚并開發(fā)了用于物聯(lián)網(wǎng)及其生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)似乎勢不可擋，將對工業(yè)和消費(fèi)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(guī)模，實(shí)現(xiàn)最佳能效至關(guān)重要。

能量采集的未來

開發(fā)新的能源采集方案無疑具有很大的吸引力，不僅因?yàn)樯鲜鲈?，還因?yàn)槟芰坎杉鞅旧碇饕揽筷P(guān)鍵的供應(yīng)來源。能夠從運(yùn)動(dòng)中采集能量的超高效磁體的作用就像發(fā)電機(jī)。太陽能電池獲取光子能量，有時(shí)將其儲存在鋰離子電池中。

現(xiàn)在采集器的主要原材料來源受到限制，并受到少數(shù)供應(yīng)商的控制，位于數(shù)量非常有限的政府中。鑒于這些困難，世界范圍內(nèi)的研發(fā)界都認(rèn)為這是個(gè)非常“熱門”的話題。

如果我們希望這個(gè)顛覆性的機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)預(yù)測的規(guī)模，人們只能鼓勵(lì)并且通過電子行業(yè)專家如安森美半導(dǎo)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。