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下一代物联网蓝牙设备可能没有电池?

时间:2019-09-05 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
能量采集可利用多种环境能源,为低功耗设备提供无限的运作寿命,也消除了对众多物联网应用来说价格高昂又不实用的电池替换。
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蓝牙5 (Bluetooth 5)标准主要是为了让家庭、汽车或工作场所等范围内的设备分享信息,也就是说,此新版本蓝牙具备可能会吸引某些物联网(IoT)应用的特性。美商Atmosic Technologies正专注于开发低功耗蓝牙5无线平台,以实现如该公司所形容“在任何地方都保持联机”(Forever Connected, Anywhere)的IoT装置网络。

全新蓝牙5提供众多超越旧版蓝牙的性能演进,包括四倍的传输距离、两倍的速度以及八倍带宽。蓝牙5扩展了前几代版本已经提供的功能,旨在提供连网装置之间更大的灵活性与互动性;而智能手机与平板装置,会是让蓝牙5与整个物联网连结的关键。

许多物联网应用程序需要长距离但带宽容量最小的链接,仅需间歇性传输数据。蓝牙5还可为其他物联网应用提供网状网络(mesh networking)选项涵盖大量的节点装置;网状网络是不需要单一控制中枢、去中心化的装置链接体系,是一种真正的点对点通讯网络,其中的各个节点都是均等的,不同的产品之间能互动并共同合作。

蓝牙5标准也特别注重连结安全性,这主要是为了避免与其他网络中的无线装置相互干扰,从而促进物联网的应用。估计到2023年,全球将会有超过300亿蓝牙装置,其中应用于物联网的比例将持续成长。

Atmosic以RF CMOS设计专注于低功耗物联网应用,甚至号称能不必用到电池,以避免任何与续航力相关的问题。能丢掉电池会对装置成本与维护带来重大影响,而蓝牙系统的成长与演进,肯定会与物联网产业在这些年与未来几年的成长息息相关。

 

蓝牙5可实现延长装置电池寿命的改进。(来源:Atmosic)

“如果你很讨厌换电池,你会喜欢我们为了解决这个问题而开发的技术;”Atmosic顾问、也是Alphabet (Google母公司)董事会主席John Hennessy表示:“Armosic的团队正在应用其广泛的无线与低功耗专长,将创新的设计推向市场,我们的任务是重新定义电池寿命。”

Atmosic副总裁Srinivas Pattamatta表示,许多物联网终端节点是以电池供电,以提供真正的“无线”解决方案,但是频繁更换电池的机会成本远高于电池本身的成本;因此可实现不用电池或是永久电池寿命的解决方案,将能显著减低经常性的运营与机会成本。

为此Atmosic已经开发了三种创新技术,包括低功耗无线电(Lowest Power Radio)、随需唤醒(On-demand Wake-up)以及可控制能量采集(Controlled Energy Harvesting)。这些技术首先是要克服信标(beacons)、健身追踪器(fitness)等物联网装置在能量与管理方面的挑战,其可控制能量采集技术号称能将电池性能推向一个新境界。

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Atmosic的超低功耗蓝牙5芯片。(来源:Atmosic)

Atmosic的M2系列解决方案符合蓝牙5标准,并具备低功耗无线电与随需求唤醒技术,能带来10到100倍的省电。该公司的M3系列方案则又添加可控制能量采集技术,支持可确保电池寿命或是永远免换电池的运作。

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Atmosic的解决方案。(来源:Atmosic)

通过能量采集方案,物联网系统能产生的数十毫瓦(milliwatts)电力,效率(efficiency)达30~40%;不包括RF路径的损耗。RF能量采集方案的性能需要以各种参数来评估,例如效率、灵敏度、操作距离、输出功率等,被定义为用以进行比较的标准;质量因子(Q factor)通常被定义为描述共振强度的无音次数值(dimensionless value)。

每一根天线都有最佳运作频率,也就是共振频率(resonance frequency),是由天线的电感与电容特性来决定。天线的电容与电感,是天线本身的频率与实体尺寸的函数;当天线尺寸越大,共振频率就越低。而天线的带宽是天线能有效运作的频率范围,窄频天线能提供优异的转换效率,但只能恢复有限的能量。

能量采集可利用多种环境能源,为低功耗设备提供无限的运作寿命,也消除了对众多物联网应用来说价格高昂又不实用的电池替换。调频能量采集带来的可能性,为从内部与外部收集RF能量的概念提供了发展空间。调频范围内以及能量范围内的任何特性,只取决于热噪声(thermal noise)的自然阈值,以及收集能量装置本身的性能。

编译:Judith Cheng

(参考原文: The Next Wave of IoT Bluetooth Devices Might Not Have Batteries,by Maurizio Di Paolo Emilio;本文作者为EE Times欧洲版驻意大利技术编辑/物理学博士)

 

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