無(wú)線通信與環(huán)境獵能兩大技術(shù)的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)處不在并永久供電的物聯(lián)網(wǎng)。

下一個(gè)產(chǎn)業(yè)浪潮

物聯(lián)網(wǎng)是指把所有“有形物體”與“互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”結(jié)合的智能化管理系統(tǒng)。以現(xiàn)代社會(huì)“人聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展歷程做比喻，在還沒(méi)發(fā)明電話的時(shí)代，人們想聯(lián)系遠(yuǎn)方的親友，只能長(zhǎng)途跋涉親身拜訪或透過(guò)書(shū)信。而當(dāng)今，透過(guò)電話系統(tǒng)與移動(dòng)設(shè)備，人與人之間隨時(shí)可用移動(dòng)電話聯(lián)系，實(shí)時(shí)、直接、不受距離限制，形成了人聯(lián)網(wǎng)。

因此，對(duì)照于現(xiàn)在人類尚無(wú)法跟遠(yuǎn)程的有形物體直接聯(lián)系的限制，物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是幫各式各樣有形物體安裝移動(dòng)設(shè)備，給它一個(gè)身分號(hào)碼供識(shí)別用，令它具備無(wú)線上網(wǎng)的功能。不管這些物體到哪里去，經(jīng)歷什么樣的環(huán)境變化，我們都能夠“打電話”給它，也能接收它的來(lái)電，于是不但能得知它的近況，還能指示它做什么，達(dá)到實(shí)時(shí)、直接、不受距離限制的智慧化管理。

物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)人與物品之間的信息溝通，因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通訊之后下一個(gè)影響世界發(fā)展的產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)將以新一代信息科技整合人類社會(huì)與物理系統(tǒng)，把無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽及傳感器裝備到鐵路橋梁、油氣管道等公共設(shè)備，或個(gè)人隨身物品與穿戴用物品中，然后與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)整合，由超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器和設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)的管理和控制。

國(guó)際電信聯(lián)盟曾描繪物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的愿景：手機(jī)會(huì)提供主人實(shí)時(shí)的健康監(jiān)控與咨詢，公文包會(huì)提醒主人出門(mén)忘了帶什么東西，當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)警示，衣服會(huì)告訴洗衣機(jī)對(duì)顏色和水溫的要求等。毫無(wú)疑問(wèn)的，如果物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代來(lái)臨，日常生活會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。

物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)人與物品之間的信息溝通，是繼計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通訊之后下一個(gè)影響世界發(fā)展的產(chǎn)業(yè)浪潮。

建立物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)把現(xiàn)實(shí)世界數(shù)字化的龐大工程，根據(jù)預(yù)測(cè)，2020 年以前大約有 300 億個(gè)物品會(huì)進(jìn)入無(wú)線傳訊的物聯(lián)網(wǎng)中。這 300 億個(gè)物品可能應(yīng)用在大型公共設(shè)備上，也可能應(yīng)用于各種穿戴式、移動(dòng)式或植入式的個(gè)人設(shè)備中。

把 300 億個(gè)物品建構(gòu)到物聯(lián)網(wǎng)所牽涉的挑戰(zhàn)很廣，包含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸限制、如何連接網(wǎng)絡(luò)、如何確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c隱密性、電源供應(yīng)等。其中，電能來(lái)源是最嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因?yàn)楫?dāng)電池壽命耗盡時(shí)，無(wú)論是更換 300 億個(gè)電池或替 300 億個(gè)電池充電，都會(huì)耗費(fèi)高昂的人力、財(cái)力與時(shí)間成本。

此外，在尺寸與能源限制下，如何達(dá)到高效率無(wú)線傳輸、如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`敏可靠、如何延長(zhǎng)電池每次充電循環(huán)使用時(shí)間，都考驗(yàn)著無(wú)線通信技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

因此，以下從能源的角度出發(fā)，探討如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，以“獵能技術(shù)”搭配“低功耗設(shè)備”解決物聯(lián)網(wǎng)電力的需求。

微型獵能技術(shù)

環(huán)境獵能技術(shù)是一種從周圍環(huán)境收集能量、儲(chǔ)存能量，并轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。相較于電池供電，利用環(huán)境自主發(fā)電的獵能技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)—能源幾乎取之不盡，并盡可能地減低對(duì)環(huán)境的影響。由于物聯(lián)網(wǎng)物品的壽命可能長(zhǎng)達(dá)好幾年，若要避免電源更換或充電過(guò)程中所需要的成本，使用超低功率的設(shè)備自是一大關(guān)鍵。若物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身能源源不絕地產(chǎn)生電力，就可能使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備永續(xù)不斷地運(yùn)作。

獵能技術(shù)并不是新創(chuàng)的，幾世紀(jì)以來(lái)人類已經(jīng)有風(fēng)車、水車、太陽(yáng)能等形式的應(yīng)用。近年來(lái)，迷你型的獵能器已經(jīng)內(nèi)建到計(jì)算器、手電筒、玩具、電子鑰匙等之中，進(jìn)入了我們的日常生活。而未來(lái)更進(jìn)一步的發(fā)展，就是把體積更微小、效能更高的微型獵能器建構(gòu)到穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

相較于電池供電，利用環(huán)境自主發(fā)電的獵能技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)—能源幾乎取之不盡，并盡可能地減低對(duì)環(huán)境的影響。使用微型獵能器維持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備永久持續(xù)的操作是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的目標(biāo)。目前的微型獵能器，根據(jù)能量的來(lái)源可分為光能、熱能、振動(dòng)能、電磁波能四大類。

在光能方面，大型太陽(yáng)能板是取得光能最常見(jiàn)的技術(shù)。在強(qiáng)烈的日照下，每 1平方公分的太陽(yáng)能板大約可以產(chǎn)生 10 毫瓦(10−3 W)的平均功率，在 4 種獵能方式中產(chǎn)生的能量最大。缺點(diǎn)是產(chǎn)生的電能完全仰賴日照的強(qiáng)度，需要配合電源管理系統(tǒng)，在能量充沛時(shí)儲(chǔ)存于蓄電池中，以供陰雨天或夜晚使用。

在溫差方面，熱電式獵能器是利用兩個(gè)不同的金屬或半導(dǎo)體之間的溫度差，形成熱電效應(yīng)而產(chǎn)生電壓。盡管只要有足夠大的熱電板和環(huán)境溫度差異，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的能量，不過(guò)電壓較小，需要使用變壓器提高輸出電壓，才能供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用。

至于振動(dòng)形式的動(dòng)能，例如橋梁、汽車和工廠產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)，可以透過(guò)彈簧或壓電材料轉(zhuǎn)變成電能。這種轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓可高達(dá) 1,000 伏特以上，也能產(chǎn)生毫瓦范圍內(nèi)的電力。

現(xiàn)今都市中有許多頻段的電磁波訊號(hào)，例如廣播、移動(dòng)電話、WiFi 等，除了在通訊或與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而需使用電磁波外，其他時(shí)間多數(shù)的電磁波并未產(chǎn)生效用。收集四周環(huán)境中的電磁波轉(zhuǎn)為電源，會(huì)是無(wú)線充電的另一個(gè)新里程碑。目前技術(shù)仍受到充電距離短，以及產(chǎn)生的能量小于應(yīng)用所需的數(shù)量級(jí)的限制。

獵能技術(shù)評(píng)估

能源自主無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情境圖

由于光能、熱能和動(dòng)能的獵能器具有不同的特點(diǎn)，產(chǎn)生的電壓并不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電能可能是間歇性的，有時(shí)甚至無(wú)法提供任何電力。因此，一個(gè)完整的能量采集系統(tǒng)必須包括獵能器、儲(chǔ)能器和電源管理電路來(lái)保證穩(wěn)定的電源輸出，以匹配負(fù)載的應(yīng)用電路。

上述這些具有發(fā)展?jié)摿Φ奈⑿瞳C能器產(chǎn)生的功率數(shù)量級(jí)大約在毫瓦至微瓦(10−6W)等級(jí)，已經(jīng)與一些遙控器、手表、收音機(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)消耗的功率相當(dāng)。而在這些低功耗的應(yīng)用組件中，最有前景的便是無(wú)線傳感器。

無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)要能夠普遍在商業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)或生態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)占有很重要的地位。新一代無(wú)線傳感器將由采集的能源來(lái)供電，因而不需使用電池。

無(wú)線傳感器通常由1個(gè)或多個(gè)傳感器、無(wú)線電收發(fā)器與微處理器所構(gòu)成。傳感器負(fù)責(zé)偵測(cè)外在環(huán)境中的溫度、濕度、壓力等的變化;無(wú)線電收發(fā)器負(fù)責(zé)使感測(cè)數(shù)據(jù)與相鄰的無(wú)線傳感器分享，或上傳到數(shù)據(jù)處理中心;微處理器則根據(jù)通訊協(xié)議處理這些原始數(shù)據(jù)，控制無(wú)線電收發(fā)器傳送訊息。

無(wú)線電收發(fā)器

無(wú)線通信能力是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中最重要的功能之一，借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的偵測(cè)，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)單元或節(jié)點(diǎn)才可與鄰近的單元或基地臺(tái)溝通，或與外部網(wǎng)絡(luò)、云端數(shù)據(jù)中心連接而取得外界訊息。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無(wú)線接收器與發(fā)射器就占了總體功耗的 90%以上，相對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗，無(wú)線通信的功耗占顯著的比率，成為技術(shù)上最大的瓶頸。因此，超低功耗的無(wú)線電收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)無(wú)遠(yuǎn)弗屆的物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)要能夠普遍應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)占有很重要的地位。

新一代無(wú)線傳感器將由采集的能源來(lái)供電，因而不需使用電池。

幾乎所有無(wú)線傳感器都以降低工作周期的方式來(lái)達(dá)到省電的目的。降低工作周期，可以想象成調(diào)整傳感器實(shí)際上工的時(shí)間，如果傳感器每操作 1 分鐘就休息 9 分鐘，我們稱這樣的工作周期是 10%，理想上，在同樣的電能供應(yīng)下，待機(jī)的時(shí)間就可以增長(zhǎng) 10 倍。降低傳感器工作周期的意義，是只在少數(shù)時(shí)間激發(fā)無(wú)線電收發(fā)器，僅在需要的時(shí)候發(fā)送必要數(shù)據(jù)，因?yàn)榇蟛糠謧鞲衅餍枰獋鬟f的數(shù)據(jù)量并不高，因此無(wú)線傳感器多數(shù)時(shí)間(甚至可高于 99%以上)處在休眠狀態(tài)，大幅降低平均功耗。

降低工作周期的無(wú)線電收發(fā)器同步方式

對(duì)于發(fā)射器而言，降低工作周期是一個(gè)非常有效的節(jié)省電能的方法，但對(duì)于需要隨時(shí)保持待命狀態(tài)的接收器，卻不能用同樣的方法節(jié)能。因?yàn)橐坏┌l(fā)射器發(fā)送訊息而接收器卻在休眠，就會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?。因此，低工作周期的無(wú)線通信需要克服發(fā)射器和接收器在同步工作上的挑戰(zhàn)，確保它們?cè)谕粋€(gè)時(shí)間「醒來(lái)」執(zhí)行功能。

同步的方法之一就是提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間給它們對(duì)時(shí)。安置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，讓每一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)內(nèi)建的定時(shí)器跟標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)時(shí)，然后由定時(shí)器定時(shí)把無(wú)線電收發(fā)器喚醒來(lái)操作。但缺點(diǎn)是，經(jīng)常性的對(duì)時(shí)動(dòng)作會(huì)消耗相當(dāng)大的電力，而且在沒(méi)有任何通訊需求時(shí)把收發(fā)器喚醒，更會(huì)造成不必要的能源耗費(fèi)。

另一個(gè)方法是需求導(dǎo)向的通訊協(xié)議，也就是收到通訊請(qǐng)求才啟動(dòng)接受器的通訊協(xié)議。由發(fā)射器持續(xù)發(fā)出前導(dǎo)信號(hào)，指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅邮掌髦恍枰ㄆ诘貑?dòng)以監(jiān)控信道來(lái)接收這通訊請(qǐng)求。這個(gè)方法的好處是不要求時(shí)間同步、不需要網(wǎng)絡(luò)連絡(luò)共享的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，缺點(diǎn)是會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通訊的延遲，延遲的時(shí)間與接收器監(jiān)測(cè)的時(shí)間成反比。換句話說(shuō)，低延遲意味著接收器必須更頻繁地探測(cè)、接收時(shí)間加長(zhǎng)、發(fā)射器應(yīng)該重復(fù)多次請(qǐng)求，以保證發(fā)送與接收能夠接軌。因此這個(gè)方法是一個(gè)功耗與時(shí)間延遲的權(quán)衡選擇。

最近的技術(shù)發(fā)展是使用一個(gè)額外的輔助接收器，稱為喚醒接收器，可以克服上述方式中進(jìn)退兩難的困境。喚醒接收器具有非常低的功耗，能夠持續(xù)監(jiān)聽(tīng)通訊網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求訊號(hào)。每當(dāng)發(fā)射單元發(fā)送出一個(gè)通訊請(qǐng)求時(shí)，喚醒接收器檢測(cè)到這一個(gè)訊號(hào)就喚醒在休眠中的數(shù)據(jù)接收器，讓接收器開(kāi)始執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的功能。這樣一個(gè)透過(guò)喚醒的通訊協(xié)議，不再需要在時(shí)間同步上消耗電力，還能顯著地減少延遲，打破了在功耗和時(shí)間延遲之間的權(quán)衡，真正實(shí)現(xiàn)了超低功耗無(wú)線通信。

利用喚醒接收器的無(wú)線電收發(fā)器同步方式

由于這個(gè)喚醒接收器需要的功能較數(shù)據(jù)接收器簡(jiǎn)單，先進(jìn)的喚醒接收器功耗甚至小于原本數(shù)據(jù)接收器的百分之一，在沒(méi)有通訊要求時(shí)，無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)中大部分的電路會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，大幅降低平均功耗，僅留下喚醒接收器和環(huán)境獵能器持續(xù)獵取能源，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)可以達(dá)到無(wú)限長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。

超低功耗無(wú)線感測(cè)是一個(gè)技術(shù)上尚有重重困難、但應(yīng)用潛力無(wú)限廣大的領(lǐng)域，因此激發(fā)了無(wú)數(shù)的科學(xué)家與工程師源源不絕的努力和創(chuàng)造力，在各種軟硬件的面向上突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，為逐步建構(gòu)中的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)啟了新的可能性與發(fā)展領(lǐng)域。未來(lái)的應(yīng)用可包括短距離機(jī)器對(duì)機(jī)器、無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線近身通訊中的醫(yī)療傳感器，以及針對(duì)新興感測(cè)和自動(dòng)化市場(chǎng)的其他需求。這類無(wú)線電應(yīng)用將不需使用數(shù)據(jù)密集的連續(xù)通訊方式，改采用低工作周期傳輸模式，同時(shí)采用更小儲(chǔ)能設(shè)備和獵能設(shè)備的可替代能源方案，以期達(dá)到能源自主、永續(xù)操作的目標(biāo)。