能量采集无线技术:将从“小众”到“大众”?

原创 李映 2016-05-03
标签 无线技术

引言: 借助于能量收集模块、无线传输模块等技术“多重突破”,能量采集无线技术将应用大幅拓宽。

  有一种技术,在楼宇自动化领域可减少50,000,000个电池;可节省几万千米线缆的铺设,意味着减少了1万多吨的CO2排放,什么技术这么“友好”?这就是能量采集无线技术。经过十几年的发展,能量采集无线技术在楼宇自动化、智能家居等领域不断攻城拔寨,让开关、传感器、执行器真正实现了绿色环保。随着自身技术的不断提升以及物联网的深入应用,这一技术也开始步入“新”车道。

  焕发“新”生

  能量采集来源分为四个主要范畴:电动力(电磁能和机械能)、光能、热能(温差能)与压电。虽然能量采集技术问世也有十几年了,但其发展并不如预期那么理想。

  德州仪器(TI)电池管理产品市场及应用经理文司华对此介绍说,能量采集近两年来仍未有突破性发展,能量采集器格局和性能没有根本改变,最大原因是收集到的能量仍然不能满足应用要求。虽然无线模组中应用处理器的功耗在持续下降,但实际上消耗的总能耗没有显著下降,因而只能以降低数据传输的间隔妥协。但他也随之指出,寻找应用在低频数据上传的产品是一方向。

  在低频领域耕耘多年的德国易能森(EnOcean)对此相对乐观。EnOcean中国区市场经理林海莹指出,虽然这一技术要考虑的硬件指标包括转换效率、能量以及PMIC的拓扑结构、效率、最大能量撷取等等,在价格上要考虑认证成本、方案成本等,相对传统器件成本还是居高难下。但随着能量采集技术的升级,传感器、MCU、RF等器件功耗的不断降低,以及电源管理IC的突破,能量采集技术市场将日益攀升。

  而市场的数据也佐证了它的潜力。据市场研究公司IDTechEx指出,能量采集市场正出现越来越多刺激成长的因素,在未来5年内开始显著成长。IDTechEx预测,2015年全球能量采集元件市场将出货4120万个单元,达到12.85亿美元的市场规模,这一数字将在2020年增加到出货1.357亿个单元,市场规模也成长至32.9亿美元。

  这一动力一方面来自于技术的不断更新换代,以及更多的IC公司加强投入与研发步伐,包括易能森、TI、ADI、凌力尔特等;另一方面来自于物联网的快速发展,对无线传感器、执行器的需求看涨。很多公司现在都很有动力去开发更有效的能量收集芯片和系统,不管是可能使用动能模式的植入式医疗设备,或是支撑传感器运行的光能模组,能量采集市场将焕发“新”活力。

  拓宽价值

  显然这一技术需要能量采集模块、无线通信技术和超低功耗芯片组的“全力配合”,在这一领域耕耘十多年的EnOcean已然先下一城。林海莹介绍说,其杀手锏主要在于三种核心技术的完美融合:一是高精度的能量采集模组,包括机械能、光能、温差能。二是高质量的无线通信技术,基于国际无线标准ISO/IEC 14543-3-1X,在1GHz以下,不同国家有不同的频段,具有超强的抗干扰能力,通过重复发送多个信号以及加密功能,保证通信系统的稳定性、安全性。三是超低功耗的芯片组,实现功耗低、传输距离远,可以组网并且支持中继等功能。

  所有基于EnOcean技术的产品之间互相兼容,使得基于EnOcean的智能系统可互操作、易拓展。此外,作为开放协议,易能森EnOcean无线技术可并入使用TCP/IP、WiFi、GSM、Modbus KNX、Dali、BACnet 或 LON等无线和有线系统。

  值得一提的是,EnOcean能在能量采集无线市场占据重要地位,离不开EnOcean联盟成员的大力支持。目前该联盟成员在全球拥有西门子、ABB、GE、施耐德、霍尼韦尔、欧司朗、德州仪器、罗姆等超过400家成员,市场上有超过1500种基于EnOcean的产品。

  成熟全面的开发环境(包括无源无线开关模块、传感器模块、网关模块以及开发套件和编程板)、强大的技术支持和100%的产品兼容性,让EnOcean在全球众多楼宇自控和智能家居产业中斩获丰实。

  但随着市场需求的变化,EnOcean也在转变思路,以跟随市场的节拍起舞。林海莹表示,除了1GHz技术之外,EnOcean也在拓展2.4GHz领域的合作与开发。比如与ZigBee联盟拓展合作,推出了兼容ZigBee GREENPOWER标准的能量采集无线模块,后续将推出兼容ZigBee3.0的能量采集无线通信模块,从而让更多的消费电子厂商能在全球销售更广泛的产品。此外,也在加强与蓝牙联盟合作,但这还涉及配对及功耗问题,正在着力解决。

  全面升级

  能量采集无线技术在经过多年的发展后,也开始面临新的技术S形曲线,带来的挑战就是能否成功地在拐点实现技术转换。

  林海莹表示,易能森一方面在致力于开发新的能量收集模组,将推出新的机械能(动能)转换器,可将气体、液体流动产生的动能转换为电能,而这一突破将助力智能抄表领域。新的光能转换器也会有很大的改进,将使太阳能板的尺寸更小,而转换效率更高。再加上能量存储效率的提升,由室内光能供电的设备在充满电后,有望在完全暗黑的条件下正常工作几个月甚至一年。目前温差能已成熟的应用是利用金属两端的温差,它的利用还处在较为初级,未来的一个研发方向是采集白天与夜晚间的温度差,为室外应用供能。

  另一方面,在着力拓展室外的远距离通信,目前短距离无线通信技术在空旷的室外能传输300米-500米,而下一代自供能无线通信技术可实现10多倍的传输距离,可达5公里,实现这一技术除了能量采集模组的精进外,射频技术和无线模组也需要改进,包括传输更少数据、间隔更长、FSK调制更快等,无线模组用的组件更高精度和更高灵敏度等,从而实现室外的远距离传输。

  借助于“多重突破”,能量采集无线通信技术也将大大拓展其应用,将被应用于生活的方方面面,包括农业生产、结构健康监测、森林防火、智慧城市管理、医疗护理行业等,开启新的从“小众”到“大众”之旅。林海莹举例说,NTT今年4月已在日本发布了基于EnOcean远距离能量采集无线技术的农业用传感解决方案。另外,NTT在日本当地电视台也播出了这套方案在草莓地的应用情况。

  在能量收集无线技术应用领域已然呈现出诸多变化,然而这终需要全产业链的“共同作战”,未来将会助力行业打造出寿命超长或是根本不需外接能量支撑的传感器、执行器等。5月19-21日即将举办的全国首个物联网芯片技术与应用方案大展—2016深圳(国际)集成电路技术创新与应用展(2016CICE),将有一大波新兴技术与应用“意外”亮相,让我们一起更好地拥抱物联网的到来吧。

  5月11日之前报名CICE/CSHE展可免费获得展会同期活动门票:

【作者】李映(微信号:ilovekm2008)智慧产品圈副主编

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