打造無電池綠色環保物聯網——賽普拉斯能量收集解決方案

　　第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產業和技術展望研討會

　　時間：2016.01.14 下午

　　地點：深圳南山軟件創業基地 IC咖啡

　　演講主題：打造無電池綠色環保物聯網——賽普拉斯能量收集解決方案

　　演講人：李冬冬，Cypress半導體模擬芯片產品經理

　　主持人：接下來進行第二場演講，剛才提到了5G的應用場景是現在非常火爆的IOT的應用，市場空間很大，但是大家也都知道，經歷了2015年上半年投資的狂熱以及一些創業、創新在IOT領域的熱潮，但是現在這股熱潮我們觀察趨于冷靜，人們的目光重新回歸過硬的產品設計和用戶價值、應用空間上。2016年產業將開啟更多細分市場以及比較多產品形態的個性化開發時代，所以今天我們接下來的這場演講，我相信會給大家帶來不一樣的設計上的提升，特別是在能耗節能和電池的節省方面。

　　大家都知道IOT時代帶來的是數以萬計的大數據和幾倍于人口數量的傳感器的應用。傳感器對物聯網的應用不可或缺，但是大家也知道，很多傳感器的部署和場景往往不太適合經常更換電池、也不方便去更換這么大量的電池。我們接下來的Cypress的介紹是有關于他們能量收集方面的最新技術。這里也分享一下，最近在CES的展會現場他們也做了相應的展示，Cypress的太陽能的藍牙能量收集技術已經被美國知名的ID博客評為CES十大最佳技術，我們也非常期待他們將CES上最新展示的方案給我們做一個講解和介紹。

　　介紹一下接下來的這位演講嘉賓，他是Cypress半導體模擬芯片產品經理李冬冬先生。李冬冬先生目前負責Cypress的產品在亞太區的推廣。李先生加入Cypress之前，曾在美國研諾以及富士通半導體擔任過研發工程師、市場工程師等職位工作，具有豐富的技術和市場推廣經驗。我們有請李冬冬為我們介紹在CES上被評為十大最佳技術之一的能量收集技術。有請李先生!

　　李冬冬：各位上午好!

　　很高興來到深圳，很高興來到IC咖啡，很高興能參加ICT這個媒體論壇。我是來自Cypress模擬芯片的李冬冬。

　　我看了一下在座的各位，大家都是出生在20世紀的吧?沒有00后吧?我也是出生在20世紀。在我小的時候，是20世紀末，經常看一些科技性的文章和科技性的電視，里面經常有一些對21世紀科技的猜想，其中我印象比較深的幾個，一個是說21世紀智能科技要取代人類。我記得印象還比較深的是我們不需要吃飯，吃牙膏一樣的東西就能生存下去。我不知道大家現在吃牙膏一樣的東西能不能生存，反正我不行，我早上吃了兩個包子。當時聽了很多關于21世紀的猜想，我們現在已經處于21世紀，21世紀也過了十幾年了，對于過去的很多猜想看起來虛無縹渺，反而是當時沒有猜想到的一些東西現在成就了我們意想不到的東西，最最突出的是什么?大家在20年前永遠沒有想到的東西，網絡。誰能在20年前、10年前想到網絡能把我們的生活改變成現在這樣子?如果大家20年前能想到的話，在座的都是馬云，對不對?最牛的是互聯網。第二牛的是物聯網。

　　互聯網已經讓我們看到了它巨大的能量，但是物聯網還在發展或者說前期的準備工作中。今天就讓我跟大家一起聊一聊物聯網的一些事情。

　　職責所在，我是Cypress的員工，所以容我先介紹一下Cypress的這家公司。我們是NewCypress，因為Cypress在2015年和美國另外一家半導體股票互換變成一家新的公司。Cypress原來是在全球最大的SRAM供應商，也是全球最大的in nvSRAM提供商，也是擁有30年PSoC經驗的公司。Spansion是日本最大的Memory for Embedded產品線供應商和Analog產品線供應商。

　　合并了以后，新的Cypress是大概每年收益在20億左右美金的一家芯片公司。合并以后的全球員工數在7000左右。合并以后產品線也非常豐富了，有Memory，還包括汽車方面的MCU，還有PMIC，還有藍牙和電源管理芯片。

　　這是我們Cypress關注的市場(見PPT)，從Mobile Devices，到手表、醫療等等，所有用到芯片的地方就有Cypress的應用市場。

　　前面是對Cypress的介紹，簡單來講是，我們是一家芯片公司，什么芯片都賣。

　　回到我們的主題，我們看一下物聯網的一些事。

　　“物聯網”這個概念其實出來的很早。我們從2013年開始，各大公司都有對物聯網的預測。這個預測在于什么呢?覺得物聯網是萬物相聯。這個預測是我們到底有多少器件在未來會被連接到網絡上。從2013年開始，高德納(音)是非常著名的一家技術分析公司，他提供了一個數據，到2020年世界上將會有250億的器件會被連接到網絡。同時，思科在2014年的時候也給出了一個數據，他說到2020年全球會有500億的器件被連接到網絡。在其后的幾個月，英特爾也給出了一個數據，跟他是一樣的，也是500億。另外還有ARM30億。不管是怎樣的數據，這個數據都是一個非常巨大的量級。

　　我們到2020年，人類的人口是多少?我們預測是70億人口。我們身邊的器件至少有幾百億會被連接到網絡。這意味著什么?意味著生活當中，一個人身邊將會有7-10個左右的器件是被連接到網絡的。

　　相對應的其他一些市場，大家現在看到比較大的市場是PC的市場，也就是電腦。全球每年有多少個PC?只有3億。還有一個很大的市場，剛剛也有提到，就是手機，到2020年一個人可能有三臺。有多少臺家電?50億，無論哪個數量級都非常大，所以物聯網市場是未來最大、最值得期待的市場之一。

　　這張圖(見PPT)是我為了今天的會議特別找出來的圖，我覺得特別適合今天的會。這張圖也是高德納(音)2015年發布的新興技術成熟曲線圖。大家可以看一下這個圖，豎軸是技術的期望度，橫軸有幾個區間，第一的區間是技術的萌芽期，第二個區間是高峰期，第三個區間有人叫幻滅期或者失望期，我們把它叫冷靜期，第四的區間叫復蘇期。最后一個期是穩定期，就是可以去量產，可以真正的對我們的生活有益處。這張圖中IOT在哪里?IOT在高峰期的最高峰。單純從這張圖大家能看出什么?其實還有一張圖是2014年的，我沒有放上去，2014年IOT也在這里，也在高峰期，但是在爬坡。這是2015年發布的數據，它已經到了高峰期的臨點，這已經發生了變化。這個技術是第一次出現在這個階段，處再萌芽期的爬坡期。無論是IOT還是IOT平臺也好，冠以這個技術的是我們期待的，但是真正實現這個技術的，我們也希望這個技術能夠大賣和成熟。這里有一個綠色點，意思是5-10年以后會變得趨于成熟。

　　今天是媒體論壇，我想大家都需要聽一些新的東西，所以就把這些數據拿出來，讓大家看一些跟現在成熟的東西不一樣的東西。

　　下面再講一些案例，聽故事總歸是比較有意思的。這是一家IOT的案例，小松在2001年的時候做了一個巨大的改變，當時沒有物聯網這個概念，但是他應用到了物聯網這個東西。他是做一些機械儀器的。他的機械儀器是搭乘了GPS、傳感器和網絡，它可以快速的去定位機器在哪里，去不停的檢測機器的狀況和檢測機器的故障，這是它的作用。最終對客戶能產生什么益處呢?首先，他有GPS，可以快速的找到壞掉的機器在哪里，以最快的速度幫你修好。第二，到了現場以后，因為一直有傳感器檢測機器狀況，可以快速的分析故障在哪里，在現場可以非常快的幫你修好。這樣的好處在于什么?這是工業，工業最大的麻煩在于停產，不在于壞，一停產損失是非常非常大的。這個技術中文叫康查士系統(KOMTRAX)(見PPT)，大家可以上網去查一下。像這種系統可以非常快速的解決客戶的故障，減少你的停產時間，而且可以幫你預估機器什么時間應該維修或者維護一下，非常智能化，而不是出現很大故障以后去修，一修就好幾天。雖然小松的機器比其他的機器貴很多，但是客戶也會認同，因為可以節省因為停工而產生的一些損失。自從小松在2001年開發這個系統，2001年的時候小松屬于財政赤字的最低端，自此以后，因為這套系統他慢慢的改善了自己的財務狀況。這是工業方面的成功案例。

　　接下來Nest這家公司，這家公司以前我沒有聽說，因為它的產品只在美國賣，在中國沒有，最出名的事情是被Google收購了。知道多少錢被收購的嗎?32億美元。大家想一想，只有兩個產品的一家公司用32億美元被國際性的最大的互聯網公司Google收購。

　　他們只做這兩個產品(見PPT)，第一個產品叫溫控器或者叫恒溫器。溫控器里面可以自我學習，里面搭配了各種各樣的傳感器，有溫度、濕度，還有一些對于動作判斷的傳感器。另外，它搭載了網絡，它是用WiFi的。它可以監測室內環境的溫度、濕度以及有沒有人，自動的去控制家里面的溫控系統，包括你的空調。這個為什么在美國賣呢?因為美國別墅里面還有通風系統，因為都是獨門獨戶的，家里的暖氣系統比較復雜，不只是空調，還包括通風系統，這個恒溫器都可以進行控制。

　　你還可以通過你的手機遠程的控制這個恒溫器，它還可以自我學習。比如說你有一天設定好家里在這個時間點是這個緯度，家里一個人或者兩個人的時候分別是什么緯度。然后它會記住，如果你在家里不做相應的改變，它就會把這種特定的模式調出來，非常智能。這個公司賣的好評很好，但是沒有大賣。Google收購了之后，跟奧斯汀的一個電力公司進行合作，跟奧斯汀的電力公司說我免費給你，但是你省下來的電5%給我。那一年一個月整個奧斯汀省了110億美金的電。平時賣多少錢?本來賣249美金，也就是250美金，所以在2014年用一個月時間，這一款恒溫器送出了10萬個，省了110億美金的電費。

　　根據其他廠家和恒溫機構的評估，像這個恒溫器能夠幫助家庭節省12%-15%的電費，也就是暖氣的電費。從能源部門來講，他們評估說這個恒溫器可以節省20%的暖氣和制冷的能源費用。這是它的第一個產品。

　　第二個產品叫煙感器。由于時間有限，我不具體介紹，只講一下它的商業模式。技術差不多，里面也是搭乘了傳感器和WiFi。它的商業模式是跟保險公司合作，跟美國的兩大保險公司合作，也是低價或者免費的提供給客戶。如果客戶在家里使用這個煙感器，保險公司做一個事情，可以免費的把你的保費降低5%，對于保險公司來說也安全，對于客戶來說也需要，他也安全。大家知道保險是為了安全。

　　另外這個產品(見PPT)這是監測家庭里面有沒有一些異常情況，這是Google收購之后一年發布的產品。這是智能家具的應用。

　　我們再看一下這個，這張圖比較有意思(見PPT)，這家公司叫DAIRYMASTER，是歐洲一家奶酪業的設備廠家。我之所以聽說它是因為它發明了一套系統，叫幕尼塔(Moo-Monitor)(音)，有一個中文名字叫奶牛自動發情檢測系統。它是用來干什么的?最主要的功能是檢測這個牛的發情時間，準確率可以達到88.6%。為什么會有這樣的一個系統呢?因為母牛的發情期通常在半夜。歐洲人注重生活，晚上不可能盯著牛，但是牛發情了他也沒有辦法，錯過發情時間牛就生不出來，導致錯過一個周期，產奶量會低很多。有了這個系統就可以監測牛的發情期，24小時不斷的監測。一旦這個牛快發情了，它就告訴農場主，農場主就把公牛、母牛放在一起。給大家幾個數據，我們只說美國一個地方，可能美國一個地方一年因為這個系統可以提高3億美金的奶酪的產量和成本的削減。大家知道全球有多少頭牛嗎?有2.5億頭牛。同時，聯合國的糧食組織發布了一個數據，說全球有10萬頭豬和10萬頭以上的羊。如果把這個DAIRYMASTER發布的產品，除了應用到牛身上，再應用到豬和羊身上，這個產生的效應是非常大的。這是農業方面的。

　　前面舉了工業、智能家居以及農業方面的例子，我們看一下物聯網是怎么產生的架構。

　　非常類似，雖然是不同的市場、不同的案例，但是架構是非常類似的，都同樣的需要傳感器去監測環境，然后需要一個網絡去傳輸數據。在物聯網當中最重要的點是兩個：一個是傳感器，第二個是網絡。網絡方面前面已經講過了，我正好不用講了，那我來講一講傳感器。

　　剛剛的應用案例當中，大家有沒有發現，我們講到的傳感器有一個特點，全部是無線的。我們講到2020年全球有500億的器件會被連接到網絡，在這500億的器件當中將有50億的器件是無線連接的。我們認為無線傳感器結點的市場規模到2020年是10%-20%連接到網絡器件的份額。

　　接下來談一談無線傳感器節點。剛剛講的最重要的是無線傳感器，我們現在的無線傳感器沒有什么問題，用了就完了。很簡單，我們現在的無線傳感器少，目前全世界也就1-2億個傳感器節點，目前最主要的是用電池給傳感器供電。問題是到了2020年有50億的無線傳感器節點需要供電，你每年需要更換巨大數量的電池，電池的浪費以及電池對環境的污染，包括人工換電池的維護費用，這些是非常巨大的，所以這是我們無線傳感器最巨大的挑戰，就是怎么讓它供電。除了費用以外，我們發現在一些物聯網的環境，比如說交通、橋梁監測、湖海河流監測，包括智能家居，比如說樓宇、煙囪，在這些地方你放置了我們的無線傳感器節點，想起一個有意思的話題，我看到在座的有北京來的朋友，我不是說北京的壞話，我去北京看到一個客戶，看到那個客戶我當時沒有想什么，最近突然跟一些熱點聯想在一起，中國最牛的偵探，就是朝陽區群眾。這一幫偵探很牛，經常可以找到那些大咖。我們北京客戶也搞了一個這樣的系統，他們實驗室有一個比這個還大的屏幕，他們顯示給我們看一些東西，他說讓我看朝陽區的情況。他們做了幾個事情，是朝陽區政府讓他們做的。什么事情?第一個事情，去朝陽區不要亂停車，他們地底下都埋了東西。沒有收費的地方，他在地底上埋了傳感器，你們看不到，因為都是半夜施工。他說，你看，這些地方都是亂停車的，一會兒就被警察給查了。

　　還有一個地方攝像頭，放在電線桿上，可以監測到朝陽區的室外情況。室內情況我們不知道怎么監測的。像這種地方你怎么可能鋪這么多電線，沒有辦法改變這個基建，只能挖一個地方放在里面，換電池很麻煩，人工也很貴，每隔半年跟政府講一遍，你要經過多少審批，要花多少錢，所以這些都需要不需要換電池的技術。什么樣的技術不需要換電池?就是我們今天講到的能量收集技術。

　　能量收集技術可以減少一部分電池的使用，可以讓我們的無線傳感器結點受到的一些限制性減少到更少。到底什么是能量收集技術?簡單講就是把環境當中的能量收集起來，然后把這種能量應用到電力、應用到我們的無線傳感器節點，應用到我們的RF的這種技術。環境當中什么能量是可以被利用起來的呢?像我們最常見的是光能、動能、熱能，這些能量都是可以被收集的。

　　這張表是能量收集的范疇(見PPT)，風車發電也是能量收集，但不屬于這個范疇。從100毫瓦到10納瓦以上，像下面這個屬于1豪瓦級別，1瓦方面就是像GSM手機，這個范圍就不屬于能量收集了。

　　這是我們日常比較熟悉的能量收集(見PPT)，計算器、手表，這個表盤就是能量收集的器件。

　　這里再給大家講一些故事。這是一個海象，上面放了一個監測器，監測海象從美國東海岸游回到阿拉斯加的路線。如果用電池的話，它游不到一半就沒有電了。這里面放了兩個能量收集的裝置，一個是光能的，一個是動能的，結合起來，讓這個傳感器和記錄器一直的保持工作。

　　這是應用在動物身上的(見PPT)，跟剛才的牛身上的類似，但是那個牛的是用電池的，這個馬的是用振動的動能，馬肯定經常動，動起來就會產生能量，會監測這個馬的骨骼和血液情況。

　　左下方的圖(見PPT)是印度的電鋼廠，印度雖然比較熱，30度、40度，中間有一個溫差，會產生能量給這個傳感器供電。做這個設計的時候是和電池一起配合使用的。這一個新應用，到目前為止三個月了，這個電池還沒有更換。

　　這是有名的Google眼鏡(見PPT)，有一個是監測眼睛的血糖成分的，完全也是沒有電池的。

　　最后一張圖叫施華洛士奇他們發布的兩款智能手表，這邊透明的是用電池的，可以使用六個月。這一款叫紫羅蘭款，里面是用能量收集技術做的，里面的表盤是太陽能面板，可以不用電池，一直工作。

　　這些是我們能量收集的一些應用。能量收集的是怎樣的呢?我們首先需要一個能量收集的器件，比如說太陽能面板收集光能，這個板收集動能，通過管理芯片把這些不穩定的能量轉換成穩定的能量存儲在電容里面，電容再給這個系統供電，這是一個過程。

　　在這里還要講一下，我們雖然全球有各種各樣的近距離無線技術，但是對于能量收集來講，最適合我們的技術是非常低功耗的技術。像BLE搭乘了這個技術，將是能量收集最好的應用。

　　接下來介紹一下我們的芯片。我講到我們在無線傳感器的設計當中工程師會面臨一些問題。第一個問題，如果我用電力線去供電，那個數據太大了，那么多傳感器，電力線的安置費用抬高了。第二，如果用電池供電，需要經常的周期性的更換，而且很多地方還很難換，維護費用很高。我們就需要收集來做，能量收集也會有一些缺陷，缺陷主要在于傳統能量收集會受到一些限制，比如說光照比較弱的地方怎么辦?對體積要求比較高的，特別是工業的或者消費類的，比如說可穿戴的一些地方它怎么去用?另外，我們能量收集方面還有很多計算，當然能量收集并不是太陽能面板接上去就可以了，需要存儲的計算和穩壓的過程。這里面我們還需要非常特殊、非常低功耗的芯片。另外還有計算，需要特別多的計算。這些都是工程師會面臨的問題，當然我們Cypress能解決這些問題。

　　我們在去年8月份做了一款新的能量收集芯片，以及做了一款全球最小、最低功耗的無線傳感器，應該說是太陽能供電的無線傳感器模塊。我給大家看一下有多小。就是我手中這么小，跟大家的拇指蓋差不多大小。今天我們有帶樣板過來，大家可以看一下。

　　這個模塊是依據我們的S6AE101A的能量芯片做的。給大家說幾大特點：第一大特點，超低功耗，它的電流只有250納安(nA);第二大特點，這個數據250nA 全球第一;第三個特點，集成度非常高，不需要你外圍搭乘任何電源方面的芯片，一顆就搞定。所以我們可以用一平方厘米的太陽面板就可以讓這個芯片工作起來，讓這個系統工作起來。

　　這表虛線是一平米太陽能面板的功率，這是Cypress的電源管理系統功率，這是競爭對手的能量收集功率，其他家至少在900的屬于才能用一厘米的啟動，我們在100多的時候就可以啟動。