2019年01月23日 | 技术文章—物联网的高能效如何实现

物联网来了，且将有很大规模！

物联网(IoT)是一个广义的缩略语，涉及将物体联接到互联网云，以便使用算法和驱动操作来管理情况。物联网可对服务提供、效率、成本、可扩展性和可靠性产生颠覆性的影响，跨越行业和消费者的应用领域几乎是无限的和不可思议的多样化。分析师预估，联接的物联网节点数将在短短几年内达到数十亿，突显物联网的巨大潜力。与许多其他量子工业和消费技术的飞跃一样，电子、创新工程和技术是核心推动力。物联网成功的关键和核心是以高能量和高成本效益的方式感知、处理、控制和通信的能力。

毫无疑问，电子产业也许受到巨大而令人兴奋的广阔市场潜力的推动，已非常迅速地发展到人们对物联网及其支持的生态系统感兴趣和开发一系列活动。在许多情况下，这通过令人兴奋和使能的硬件和软件技术刺激了创新。

物联网的“病毒波”是如此之强，以至于它影响到以前无人想到的物体，包括从电动工具、牙刷到植物和牲畜等各种各样的东西。我们可以把很多物体看成所谓的“数字双胞胎(digital-twins)”，就像为人们提供的“云-化身(cloud-avatars)”一样。

由联接的智能对象提供的洞察力使实际行动在效率收益、节省运营成本、改善总体生活质量等方面受益。而且，物联网有可能对单个网络中的数十亿个物体产生积极影响。为了帮助形象化这一点，想想人类大脑中无数的神经连接。

《哈佛商业评论》在2014年11月的几篇文章中描述了系统、和系统的系统之互联(Michael E.Porter和James E.Heppelmann所著的《智能互连的产品正如何改变竞争》)。这是“智能”所适用的，变得真实，甚至可能令人恐惧。

IoT Cloud Platform：无联网云平台

Device Sensors/Actuators：设备传感器/执行器

Network Gateway：网关

Applications：应用

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

图1：简化的物联网视图

当今物联网的简化视图如图1所示。左边是物联网中最显而易见的“联接的”设备。右边是我们看不见的区域，但对挖掘性能至关重要。这是人工智能领域；其中有物联网服务器、硬盘驱动器、云计算、安全检查等等。

能源挑战

物联网的两端都有独特的和截然不同的功耗要求，如图2所示。

End Node：终端节点

Network Gateway：网关

Cloud Server：云服务器

Energy：能源

Wireless And Battery-less：无线和更少电池

Units：器件单元

图2：物联网电源要求概览

用一句话概述，我们有少量的云服务器(相对于物联网节点数)，它们的功耗要求很高。它们都是一直运行，产生巨大的能源预算。在物联网生态系统的另一端，我们有大量的终端节点，当它们处于活跃状态时，功率需求有限，启动时间通常很短，和需要一种能源。

2018年6月，在法国南希举行的2018年世界材料论坛(World Material Forum)举行了一次题为“大数据/人工智能促进材料效率(Big Data/AI for Materials Efficiency)”的专门会议。斯坦福大学教授Reinhold Dauskardt的演讲稿给出了以下指标：

 “仅美国的数据中心的年耗电量估计为900亿千瓦时。这相当于34个500兆瓦的核电站反应堆，也就是法国核电站发电量的一半(约56座反应堆)。”

进一步强调数据中心/云计算服务器资源的电力需求的统计数据显示，2017年数据中心占全球用电量的3%。可能有些人认为这是个很低的比例，但由于世界对数据的生成、消耗和移动的无止境的渴望，有一种摩尔定律可适用于数据中心的能源消耗，即每四年增加一倍。按照这一速度，如果没有任何更改，那么理论上说，到2037年，计算机使用的电能将比目前全球生产的更多。

Reinhold Dauskardt接着总结道：“未来20年，我们面临的一个巨大挑战是通过设计与互联网相连、与电网断开的对象来减少物联网的能源消耗。”它们必须是省电的、自主的，并使用可想到的任何能源，如振动、热和光。”

在终端节点方面，正如前面所透露的，预测到2021年将部署数百亿个节点。它们中的每一个都会有非常低的功耗，再加上有限的启动时间，这可能会导致个别能源预算低，这是很好的。但这种急剧的增长仍与全球潜在的高耗电量相关。

免电池终端节点的能量采集

高能效是当今所有产品和服务的关键要求，将来更甚，原因我们已说明。标准包括更低的运营成本、法规遵从性、生态意识和电池使用寿命。大量物联网边缘节点可能是无线和电池供电的，超低功耗对于寻求开发实用、可用方案的设备制造商更必要和重要。无线使部署的资本支出更低（即没有布线成本和重量减轻）。免电池方案提供了更低的操作成本，并且由于不需要电池维护服务，因此可以完全避免与能量产生相关的污染。

那么，我们如何将联接、感知和免电池操作结合起来呢？通过结合智能器件技术和可用通信协议，单端节点仅需100微焦耳的预算就可以实现联接。迄今为止，许多现成的能量采集器能够满足这种水平的需求，能产生200到500微焦耳的能量。能量采集器可以由事件驱动(如开关)或连续采集，例如太阳能电池板或热电发电机。

物联网中的互联

蓝牙是在物联网生态系统中占主导市场份额的一个互联标准。安森美半导体的RSL 10蓝牙低功耗系统单芯片(SoC)平台已确立了领先地位，并在物联网应用方面实现了新的行业基准。同时，ZigBee协议的节能特性也支持自供电的或能量采集对象的连接。同样，安森美半导体用于低功耗广域网(LPWAN)的专有和Sigfox®低于1GHz收发器和SoC产品阵容，使用户能扩展在窄带传输应用中的联接范围。

由于提供联接的SoC通常是物联网设备开发的首选，这些平台为OEM和开发物联网方案的服务提供商提供了强有力的支持。

IoT Development Kit：物联网开发套件

图3：安森美半导体的物联网开发套件

感知

能量采集智能无源传感器(SPS)和近场通信(NFC) EEPROM相辅相成以提供创新的高能效感知方案。此外，位置跟踪、环境光测量和运动检测也是了解机器和人类环境的关键。让这些器件工作，以提供现成的集成方案或可行的概念验证的原型是个令人兴奋的挑战。在这里，诸如安森美半导体的物联网开发套件(IDK)这样的工具可顺畅、加速和简化概念的开发，使用户能够快速、轻松地测量、汇总和分析物联网应用的数据。

物联网的世界是“系统的系统”-它需要一个系统级的方案来实施。安森美半导体汇聚并开发了用于物联网及其生态系统的技术。物联网似乎势不可挡，将对工业和消费领域的几乎每一个领域的流程和“事物”产生积极影响。鉴于其潜在的规模，实现最佳能效至关重要。

能量采集的未来

开发新的能源采集方案无疑具有很大的吸引力，不仅因为上述原因，还因为能量采集器本身主要依靠关键的供应来源。能够从运动中采集能量的超高效磁体的作用就像发电机。太阳能电池获取光子能量，有时将其储存在锂离子电池中。

现在采集器的主要原材料来源受到限制，并受到少数供应商的控制，位于数量非常有限的政府中。鉴于这些困难，世界范围内的研发界都认为这是个非常“热门”的话题。

如果我们希望这个颠覆性的机会实现预测的规模，人们只能鼓励并且通过电子行业专家如安森美半导体的技术创新，支持和推动物联网环保方案的广泛部署。