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WSN與能量採集技術齊步成長

時間:2013-03-13 15:31來源:COMPOTECHAsia 作者:編輯部 點擊:


照片來源:凌力爾特

WSN無線感測網路(或稱無線感知網路)與能量採集(Energy Harvesting)技術在節能掛帥的近幾年成了新興技術中深具成長潛力的項目。兩種技術的發展其實是相輔相成,前者帶動能量採集技術的發展,而能量採集技術的成熟則會加速無線感測網路的佈建應用。

 

無線感測網路多元發展

 

隨著IEEE 802.15.4標準發表後,為無線感測網路建構了一個絕佳的無線電平台。在此一架構下,透過所銜接的感測模組,可監測例如溫度、溼度、車輛流動、壓力、速度及方向等參數,因此無論在通訊、國防軍事、電腦網路、家庭自動化、保全偵測系統、環境監控及個人醫療照護等領域,都非常具有應用的潛力。IEEE 802.15.4定義了一個2.4 GHz的16頻道展頻低功耗實體層(PHY),可在此基礎上建構許多物聯網技術,其中包括ZigBee與WirelessHART。這兩項技術形成當前WSN技術發展主軸,多數廠商選擇ZigBee發展,而ZigBee聯盟也戮力在各種應用上促成標準化;不過基於WirelessHART技術的Dust Networks(已為凌力爾特併購)累積成千上萬的佈建經驗,致力追求低功耗讓所有節點能使低成本電池連續運行達數年之久,並能運用各種不同的能源,其中包括從環境採集的能源。本期無線感測網路專文即由凌力爾特Dust Networks 產品事業群總裁Joy Weiss介紹低功耗無線感測網路技術的發展,內容精采。

 

能量採集晶片陸續問世

 

能量採集是指經由收集熱,震動,光及電磁波等身邊的微量能源,使其轉換成電力的技術,其理念是有效利用平時捨棄的微量能源,省去更換電池、佈線與維護等麻煩。此技術開發歷史悠久但開始進入實用化是從2000年前後開始,發電元件轉換效率快速提高成為推動因素。2012年七月麻省理工學院宣佈開發出一種晶片,能夠蒐集來自光、熱與震動產生的電力,藉此驅動諸監控系統。半導體產業也不惶多讓,包括Linear、TI、 ST等廠商也相繼有解決方案推出。 像TI便推出業界最低功耗 DC/DC 降壓轉換器TPS62736 DC/DC 轉換器,提供高電源轉換效率,輸出電流範圍為 10 uA 至 50 mA,運作功耗僅 350 nA,待機功耗僅 20 nA。在高於 15 uA 輸出電流下,該轉換器仍可達到超過 90% 的電源轉換效率。TPS62736 DC/DC 轉換器可將終端應用能使用採集能源提升達 70%。該超低功耗電路可實現於各種無須電池供電的應用,如無線感測器網路、監控系統、煙霧感測器、可攜式醫療設備及行動裝置配件等。


此外,TI 近期也發表
 MSP430FR59xx 微控制器系列樣品,採用 Wolverine 技術平台架構。這些以 FRAM 為基礎的最新微控制器可在即時時脈模式下,維持360nA 低運作電流和 100 uA/MHz 超低功耗,並支援 6.5 us 快速喚醒時間 (wakeup time) 和高精度週邊設備。

 

意法半導體則是以雙介面記憶體,包括新推出的16-Kbit產品,配備一個低功耗的I2C介面和一個13.56-MHz ISO15693非接觸式無線射頻介面。這個射頻介面可採集周圍RFID電子標籤讀寫器發射的無線電波,並將採集的無線電波轉化成輸出電壓,驅動其他的電子元件。意法半導體成功地實現M24LR16E無線記憶體的能源採集功能,這款晶片透過採集的能源點亮發光二極體(LED)指示燈,以及為免電池的STM8L Discovery評估板供電。其他的潛在目標應用包括電子紙裝置,如電子貨架標籤、工業自動化、感測與監視系統以及個人健康照護系統。

 

圖為2012年能量採集市場值,以百萬個裝置/每百萬美元價值


來源: IDTechEx報告 Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2012-2022: Forecasts, Technologies, Players

能量採集市場的成長潛力,根據IDTechEx預估,該市場規模將由2012年的7億美元到2017年成長至15億美元。IDTechEx甚至預測至2019年將有超過100億美元的能量採集裝置進入市場,約為2009年5億美元出貨量的20倍。未來應用到能量採集技術的應用將包括腕錶、腳踏車發電機、筆電、電子書、手機、其他可攜式消費性電子(如計算機,玩具,壓電式氣體打火機,無線感測網路),其他工業如建築、機器、引擎、非網格型無線感測器與致動器等;還有航太軍事、健康照護(植入式、一次性測試器和藥物輸送等)以及動物、農牧等等。

 

本期精彩文章:

l  低功耗無線感測

l  能源採集應用的電源管理架構

(責任編輯:jane)
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