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无线通信与环境猎能将实现万物联网

无线通信与环境猎能两大技术的结合,将实现一个无处不在并永久供电的物联网。

作者:佚名来源:物联之家网|2016-11-23 17:30

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无线通信与环境猎能两大技术的结合,将实现一个无处不在并永久供电的物联网。

无线通信与环境猎能将实现万物联网

下一个产业浪潮

物联网是指把所有“有形物体”与“互联网系统”结合的智能化管理系统。以现代社会“人联网”的发展历程做比喻,在还没发明电话的时代,人们想联系远方的亲友,只能长途跋涉亲身拜访或透过书信。而当今,透过电话系统与移动设备,人与人之间随时可用移动电话联系,实时、直接、不受距离限制,形成了人联网。

因此,对照于现在人类尚无法跟远程的有形物体直接联系的限制,物联网简单地说,就是帮各式各样有形物体安装移动设备,给它一个身分号码供识别用,令它具备无线上网的功能。不管这些物体到哪里去,经历什么样的环境变化,我们都能够“打电话”给它,也能接收它的来电,于是不但能得知它的近况,还能指示它做什么,达到实时、直接、不受距离限制的智慧化管理。

物联网可实现人与物品之间的信息沟通,因此被称为继计算机、网络、移动通讯之后下一个影响世界发展的产业浪潮。物联网将以新一代信息科技整合人类社会与物理系统,把无线射频识别标签及传感器装备到铁路桥梁、油气管道等公共设备,或个人随身物品与穿戴用物品中,然后与现有的网络整合,由超级强大的中心计算机群对网络内的人员、机器和设备实施实时的管理和控制。

国际电信联盟曾描绘物联网时代的愿景:手机会提供主人实时的健康监控与咨询,公文包会提醒主人出门忘了带什么东西,当司机出现操作失误时汽车会自动警示,衣服会告诉洗衣机对颜色和水温的要求等。毫无疑问的,如果物联网时代来临,日常生活会发生翻天覆地的变化。

物联网可实现人与物品之间的信息沟通,是继计算机、网络、移动通讯之后下一个影响世界发展的产业浪潮。

建立物联网是一个把现实世界数字化的庞大工程,根据预测,2020 年以前大约有 300 亿个物品会进入无线传讯的物联网中。这 300 亿个物品可能应用在大型公共设备上,也可能应用于各种穿戴式、移动式或植入式的个人设备中。

把 300 亿个物品建构到物联网所牵涉的挑战很广,包含物联网设备的尺寸限制、如何连接网络、如何确保数据传输的安全性与隐密性、电源供应等。其中,电能来源是最严峻的考验,因为当电池寿命耗尽时,无论是更换 300 亿个电池或替 300 亿个电池充电,都会耗费高昂的人力、财力与时间成本。

此外,在尺寸与能源限制下,如何达到高效率无线传输、如何保证数据传输的灵敏可靠、如何延长电池每次充电循环使用时间,都考验着无线通信技术与系统设计。

因此,以下从能源的角度出发,探讨如何在物联网设备中,以“猎能技术”搭配“低功耗设备”解决物联网电力的需求。

微型猎能技术

环境猎能技术是一种从周围环境收集能量、储存能量,并转换成电能的技术。相较于电池供电,利用环境自主发电的猎能技术具有显著的优势—能源几乎取之不尽,并尽可能地减低对环境的影响。由于物联网物品的寿命可能长达好几年,若要避免电源更换或充电过程中所需要的成本,使用超低功率的设备自是一大关键。若物联网设备本身能源源不绝地产生电力,就可能使物联网设备永续不断地运作。

猎能技术并不是新创的,几世纪以来人类已经有风车、水车、太阳能等形式的应用。近年来,迷你型的猎能器已经内建到计算器、手电筒、玩具、电子钥匙等之中,进入了我们的日常生活。而未来更进一步的发展,就是把体积更微小、效能更高的微型猎能器建构到穿戴设备和物联网设备中。

相较于电池供电,利用环境自主发电的猎能技术具有显著的优势—能源几乎取之不尽,并尽可能地减低对环境的影响。

使用微型猎能器维持物联网设备永久持续的操作是物联网时代的目标。

目前的微型猎能器,根据能量的来源可分为光能、热能、振动能、电磁波能四大类。

在光能方面,大型太阳能板是取得光能最常见的技术。在强烈的日照下,每 1平方公分的太阳能板大约可以产生 10 毫瓦(10?3 W)的平均功率,在 4 种猎能方式中产生的能量最大。缺点是产生的电能完全仰赖日照的强度,需要配合电源管理系统,在能量充沛时储存于蓄电池中,以供阴雨天或夜晚使用。

在温差方面,热电式猎能器是利用两个不同的金属或半导体之间的温度差,形成热电效应而产生电压。尽管只要有足够大的热电板和环境温度差异,就可以产生稳定的能量,不过电压较小,需要使用变压器提高输出电压,才能供物联网设备使用。

至于振动形式的动能,例如桥梁、汽车和工厂产生的机械结构振动,可以透过弹簧或压电材料转变成电能。这种转换产生的电压可高达 1,000 伏特以上,也能产生毫瓦范围内的电力。

现今都市中有许多频段的电磁波讯号,例如广播、移动电话、WiFi 等,除了在通讯或与外界进行数据交换而需使用电磁波外,其他时间多数的电磁波并未产生效用。收集四周环境中的电磁波转为电源,会是无线充电的另一个新里程碑。目前技术仍受到充电距离短,以及产生的能量小于应用所需的数量级的限制。

无线通信与环境猎能将实现万物联网
▲猎能技术评估

无线通信与环境猎能将实现万物联网

▲能源自主无线感测网络应用情境图

由于光能、热能和动能的猎能器具有不同的特点,产生的电压并不稳定,产生的电能可能是间歇性的,有时甚至无法提供任何电力。因此,一个完整的能量采集系统必须包括猎能器、储能器和电源管理电路来保证稳定的电源输出,以匹配负载的应用电路。

上述这些具有发展潜力的微型猎能器产生的功率数量级大约在毫瓦至微瓦(10?6W)等级,已经与一些遥控器、手表、收音机和蓝牙耳机消耗的功率相当。而在这些低功耗的应用组件中,最有前景的便是无线传感器。

无线感测网络

物联网要能够普遍在商业、医疗、工业或生态环境中实现,无线传感器网络占有很重要的地位。新一代无线传感器将由采集的能源来供电,因而不需使用电池。

无线传感器通常由1个或多个传感器、无线电收发器与微处理器所构成。传感器负责侦测外在环境中的温度、湿度、压力等的变化;无线电收发器负责使感测数据与相邻的无线传感器分享,或上传到数据处理中心;微处理器则根据通讯协议处理这些原始数据,控制无线电收发器传送讯息。

无线电收发器

无线通信能力是物联网设备中最重要的功能之一,借助无线传感器网络的侦测,网络中的每一个单元或节点才可与邻近的单元或基地台沟通,或与外部网络、云端数据中心连接而取得外界讯息。

在无线传感器网络系统中,无线接收器与发射器就占了总体功耗的 90%以上,相对于整个物联网设备的功耗,无线通信的功耗占显著的比率,成为技术上最大的瓶颈。因此,超低功耗的无线电收发器是实现无远弗届的物联网的关键技术。

物联网要能够普遍应用,无线传感器网络占有很重要的地位。

新一代无线传感器将由采集的能源来供电,因而不需使用电池。

几乎所有无线传感器都以降低工作周期的方式来达到省电的目的。降低工作周期,可以想象成调整传感器实际上工的时间,如果传感器每操作 1 分钟就休息 9 分钟,我们称这样的工作周期是 10%,理想上,在同样的电能供应下,待机的时间就可以增长 10 倍。降低传感器工作周期的意义,是只在少数时间激发无线电收发器,仅在需要的时候发送必要数据,因为大部分传感器需要传递的数据量并不高,因此无线传感器多数时间(甚至可高于 99%以上)处在休眠状态,大幅降低平均功耗。

无线通信与环境猎能将实现万物联网

▲降低工作周期的无线电收发器同步方式

对于发射器而言,降低工作周期是一个非常有效的节省电能的方法,但对于需要随时保持待命状态的接收器,却不能用同样的方法节能。因为一旦发射器发送讯息而接收器却在休眠,就会造成数据传输的失败。因此,低工作周期的无线通信需要克服发射器和接收器在同步工作上的挑战,确保它们在同一个时间“醒来”执行功能。

同步的方法之一就是提供一个标准时间给它们对时。安置一个网络共享的标准时钟,让每一个传输节点内建的定时器跟标准时钟对时,然后由定时器定时把无线电收发器唤醒来操作。但缺点是,经常性的对时动作会消耗相当大的电力,而且在没有任何通讯需求时把收发器唤醒,更会造成不必要的能源耗费。

另一个方法是需求导向的通讯协议,也就是收到通讯请求才启动接受器的通讯协议。由发射器持续发出前导信号,指示数据传输的需求,而接收器只需要定期地启动以监控信道来接收这通讯请求。这个方法的好处是不要求时间同步、不需要网络连络共享的标准时钟,缺点是会造成网络通讯的延迟,延迟的时间与接收器监测的时间成反比。换句话说,低延迟意味着接收器必须更频繁地探测、接收时间加长、发射器应该重复多次请求,以保证发送与接收能够接轨。因此这个方法是一个功耗与时间延迟的权衡选择。

最近的技术发展是使用一个额外的辅助接收器,称为唤醒接收器,可以克服上述方式中进退两难的困境。唤醒接收器具有非常低的功耗,能够持续监听通讯网络中的请求讯号。每当发射单元发送出一个通讯请求时,唤醒接收器检测到这一个讯号就唤醒在休眠中的数据接收器,让接收器开始执行接收数据的功能。这样一个透过唤醒的通讯协议,不再需要在时间同步上消耗电力,还能显著地减少延迟,打破了在功耗和时间延迟之间的权衡,真正实现了超低功耗无线通信。

无线通信与环境猎能将实现万物联网

▲利用唤醒接收器的无线电收发器同步方式

由于这个唤醒接收器需要的功能较数据接收器简单,先进的唤醒接收器功耗甚至小于原本数据接收器的百分之一,在没有通讯要求时,无线感测节点中大部分的电路会进入睡眠状态,大幅降低平均功耗,仅留下唤醒接收器和环境猎能器持续猎取能源,实验上已经可以达到无限长的待机时间。

超低功耗无线感测是一个技术上尚有重重困难、但应用潜力无限广大的领域,因此激发了无数的科学家与工程师源源不绝的努力和创造力,在各种软硬件的面向上突破现有技术的瓶颈,为逐步建构中的物联网开启了新的可能性与发展领域。未来的应用可包括短距离机器对机器、无线个人局域网络和无线近身通讯中的医疗传感器,以及针对新兴感测和自动化市场的其他需求。这类无线电应用将不需使用数据密集的连续通讯方式,改采用低工作周期传输模式,同时采用更小储能设备和猎能设备的可替代能源方案,以期达到能源自主、永续操作的目标。

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