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杀死电池,这家物联网公司要做传感器里的“永动机”?

发布日期:2018/8/6 11:52:49 点击:5530

[科技前沿] 杀死电池,这家物联网公司要做传感器里的“永动机”?

1980 年,一群卡耐基大学的程序员去楼下自动售货机买冰可乐时,经常碰上缺货或者可乐不够凉的情况。为了能少跑几步楼梯,这群懒癌患者把自动售货机接入了网络,写了个程序来监控可乐的状态:库存多少,是否够冰。这台自动售货机,就是物联网应用的第一位祖先。

40 年过后,物联网应用已经渗透到了生活和工业应用的方方面面,小到各类可穿戴设备,共享单车,大到工厂中运转的机器设备、深埋地下的运输管道,林林总总,都被纳入了万物互联的范畴。

但如果这同时意味着要为几十亿颗传感设备更换电池,物联网就很容易从美好的憧憬变成一场噩梦。因此,如何降低功耗一直以来,都是物联网竞赛中的重头戏。

上周五(713日)下午,由电子城集团、联想控股主办,联想之星美国 Comet Labs 及创 E+ 联合承办的,“AI+制造”——人工智能项目国际交流峰会在创E+酒仙桥社区举行。

在这场汇聚国际尖端科技项目的交流峰会上,我们接触到了一家名为 PsiKick 的物联网初创公司,并从他们身上看到了一个不需要依赖电池的未来物联网雏形。

接受我们专访的是 PsiKick 的硬件工程师 Furqan Moin。

PsiKick 成立于 2012 年,是一家物联网服务提供商。

当其他物联网公司还在寻求低功耗解决方案,以求为电池寿命「续命」之时,PsiKick 则激进得多,他们直接「杀死」了电池,为工厂提供了一套完全无需依赖电池供电的工业级传感器。

去掉传感器电池为工业物联网部署所带来的优势不言而喻——试想,要将零散分布于厂房甚至几百千米管道上的传感器电池全部更新一遍,这几乎是个不可能完成的任务。而 PsiKick 的核心竞争力就在于,不需要电池也就意味着不再需要人工维护成本。理论上,只要部署于理想的环境,这套传感器终端设备就可以像「永动机」一样,无限地工作下去。当然,永动机是个伪命题,PsiKick 能实现电能自给自足的永久性运转,其背后的理论支撑,是源于一套叫做 subthreshold processing「亚阈值处理」的技术。

「亚阈值处理」,名字听上去很抽象,但其原理并非难以理解——当电路中的电源电压低于某一阈值时,晶体管被认为是关闭的。尽管如此,实际上此时仍会有少量电流流动,把这些漏电流收集起来,就可以用来进行一些实用的操作。这个特性从上世纪 70 年代开始,就被应用于半导体器件和集成电路方面的研究中,一些早期的电子表也采用了亚阈值电路,以求节省能耗,高效地利用电池。但奈何当时人们追求的是芯片的速度和性能提升,能耗则并非电路设计考虑的优先重点。因此,在很长一段时间内,「亚阈值逻辑」并未得到广泛的应用。

直到万物互联对传感终端的大规模部署提出需求——「亚阈值处理」收集的电流虽然微弱,不足以支撑手机芯片或是高强图像、数据处理,但用在仅需几十兆赫兹电流就能运行的物联网传感器上,已经足够了——PsiKick 传感器中的系统芯片(SoC)正式基于这一理论的实践。据 Furqan 介绍,PsiKick 传感器的功耗仅为传统设备的千分之一,却能实现同等强大的功能。

解决了低功耗的问题,但物联网节点仍然需要一部分电流来维持工作。在没有电池供电的情况下,所需要的这些能源从何而来呢?这也是 PsiKick 之于物联网真正的变革所在。他们将 energy harvesting「能量采集」技术集成于电路芯片之上,这样,传感器就能通过摄取周围环境中的能量,将其转换成为电能,以供物联网数据终端工作使用,从而实现物联网数据终端的能量自给,解决其能量再生问题。

现有技术条件下,能够实现的「能量采集」渠道主要有几种:震动能、光能、热能和射频能。Furqan 表示,PsiKick 目前使用最广泛的是光能和热能,未来还将增加震动、无线电频率等更多能量来源,以适应更加复杂的部署环境要求。

对于这套能量采集系统,一个相对容易理解的例子,就是光能,包含室内的灯照光线和室外的太阳能,这也可以说是目前应用最为成熟的能量获取系统。一般而言,芯片在室内光线的照射下能提供 nW(纳瓦)等的功率输出;而在强光下则能提升至 uW(微瓦) 级。这对于仅需 20 uW 即可正常工作的 PsiKick 传感器而言,已经绰绰有余。各种能量采集渠道各有千秋。比如,光能胜在成本低、电能转化效率高,但对于一些户外场景而言,光线不可能随时随地存在。因此,针对环境中的能源特点,来对症选择最有效的能量采集方式也很重要。蒸汽管道泄漏监测是 PsiKick 目前最广泛的落地应用场景。这些管道通常分布在无法得到 24 小时光照的户外,甚至深埋于地下。结合管道表面的高温特性,PsiKick 采用了另一套能量收集系统——热能。蒸汽管道表面温度动辄高达几百摄氏度,此时,管道表面与周围环境的温度差异就可以被转化为电势。这样一来,热源中的废热也得以充分利用,直接为物联网数据终端提供能量。

低功耗数字和射频电路,加上能源采集技术,就构成了 PsiKick 的「永动机」传感器。

事实上,自从上世纪 80 年代以来,除了逐步降低的功耗外,物联网行业的大局基本没有太多突破性的变革。其中一项重要的制约因素,便是电池技术。

现在的物联网传感??槎家写笮?,其中芯片可能只占指甲盖的面积,其余位置则几乎都被电池所占据。尺寸很难做小,是由于通讯基站的需要覆盖尽可能大的面积,传感器与基站的部署距离相隔几千、甚至几十千米,这就对物联网??榈纳淦捣⑸涔β视辛撕芨叩囊?,因此需要配合较高容量的电池才能工作。

去掉电池,就赋予了 PsiKick 在传感器尺寸上巨大的提升空间。他们希望在接下来的几代产品中,逐步融入柔性电路板技术,最终能将传感器的尺寸缩小到一张邮票的大小。

不过,在采访中我们也发现,虽然 PsiKick 所描绘的技术未来无比令人兴奋,但其中的缺陷也不容忽视。首先,在去掉电池的同时,PsiKick 也剥夺了物联网??榧涞耐ㄑ毒嗬?。据科技MIX记者了解,以北京升哲为例,一些国内主流物联网厂商所研发的通讯基站,其覆盖面积已能达到 3-10 km 的范围。而相比之下,PsiKick 基站与传感器之间的通讯距离最远不能超过 25m,下一代也仅能升级为 300m。即使对于室内的工业场景,这个传输距离也只能说是捉襟见肘。另外,Furqan 也坦言,从目前的发展水平来看,PsiKick 这套不使用电池的物联网传感方案还严重受制于环境条件。如果遇到一些无法获取光能、热能的极端场景,PsiKick 尚无法完全取代传统的电池传感器。

只要能够解决这些问题,PsiKick 依旧拥有无穷的想象空间。从 B 端的工业设施监控、精准农业、生物传感、医疗保健,到 C 端的可穿戴设备、智能家居等等,它几乎适用于物联网上的任何应用场景。

虽然 PsiKick 的核心技术在于其具备「能量采集」功能的低功耗传感器芯片,但 Furqan 说他们从来不将自己定义为一家单纯的硬件厂商。在市场策略方面,PsiKick 选择了「卖服务送硬件」的模式。他们已经搭建了一整套从终端设备到云的服务架构,拥有自主研发的低功耗传输协议 PsiFi。不单独出售芯片,一方面是出于营销考虑,但从另外一个侧面,我们或许也能得出这样的结论——PsiKick 的全部核心技术全部在于这一张小小的芯片,其技术壁垒可能尚不足够厚实。如果芯片技术被其他厂商取得,搭建出一套类似的服务体系,可能只是时间问题。

况且,PsiKick 也并非无电池传感领域唯一的公司,例如位于美国密歇根州的 Bellutech,来自比利时的 IMEC 都在参与这一领域的竞争。尽管如此,对于许久未找到真正「兴奋点」的物联网领域而言,PsiKick 已经提供了一个不错的新开端。



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