「免電池」感測器:讓所有環境變得更智慧的關鍵

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 05 日 8:15 | 分類 新創 , 晶片 , 物聯網 Telegram share ! follow us in feedly


Everactive 提供了一個建立「免電池」感測器的「工業物聯網」(IIoT)平台。許多分析師預測,未來 10 年,上線連網的 IIoT 裝置數量將會呈現爆炸式的成長趨勢。感測器在這些預測中起著重要的作用。 

不幸的是,感測器有其自身的缺點,其中許多是由於有限的能量供應以及有限的電池壽命所致。現在,新創公司 Everactive 已開發出可以全天候不間斷運行,僅需極小量的維護,並且可以持續 20 年以上的工業感測器。該公司不是透過重新設計電池來製造這些感測器,而是完全取消電池的使用。

這一切的關鍵全在於 Everactive 的超低功耗 IC 積體電路,該 IC 會從室內光線和振動等來源收集能量以生成資料。感測器會持續將資料發送到 Everactive 的雲端儀表板上,該儀表板會提供使用者即時洞察見解、分析和警示,以幫助他們善用 IIoT 裝置的全部功能。

「這一切都是由支援連續性監控的超低功耗晶片來實現的,」Everactive 共同技術長 David Wentzloff 表示:「由於我們的電源是無限的,所以我們不必為了節省電池壽命而做出關閉無線射頻或其他限制的權衡折衷之舉。」

Everactive 在其晶片上建立成品,客戶因此可以快速地大量部署。該公司第一個產品會監控蒸汽疏水閥(Steam Trap,又稱蒸汽袪水器),其會將蒸汽系統中的冷凝水釋放出來。這種系統可用於各種產業,Everactive 的客戶包括油氣業、造紙業和食品生產業等領域的公司。Everactive 還開發了一種用於監控馬達與幫浦等旋轉機械(Rotating Machinery)的感測器,該感測器運行在該公司第二代無電池晶片上。

透過擺脫掉與其他感測器相關的成本和限制問題,該公司認為自己將在由 IoT 帶動之朝向未來工廠的轉變中處於有利的地位。「這是一個完全零維護、免電池、由收集到的能源供電,並且始終與雲端相連的技術。你可以透過它做很多事情,這或許讓你難以置信,」Wentzloff 表示。

讓感測器擺脫電池束縛,透過振動、微暗燈光及低熱差就能供電

打從在 MIT 麻省理工學院共渡的時光以來,Wentzloff 和 Everactive 共同創辦人兼共同技術長 Benton Calhoun 一起致力低功耗電路設計已有十多年。他們倆都在 Anantha Chandrakasan 的實驗室裡完成了博士學位。Anantha Chandrakasan 目前是 Vannevar Bush 電機工程和電腦科學教授,也是 MIT 工程學院的院長。 Calhoun 的研究重點是低功率數位電路和記憶體,而 Wentzloff 的研究重點在於低功率射頻。

在獲得博士學位後,兩人都成為了他們大學時所就讀學校的助理教授(Wentzloff 在密西根大學,Calhoun 在維吉尼亞大學),他們至今仍在任教。即使兩人各自在美國不同地區定居之後,他們仍繼續進行合作、申請聯合研究補助金,並建立結合他們研究領域的電路系統。

其合作並非單一個別事件:這兩位創辦人一直和他們在 MIT 的聯絡人保持聯繫。「到目前為止,我一直與學校同事和教授保持聯繫,」Wentzloff 表示。「他們是值得保持聯繫的極佳團隊,尤其當你談論到積體電路領域時為然。這是一個很棒的社群,我非常珍惜並欣賞這段經歷以及由此產生的人脈。這無疑是 MIT 給我的職涯留下的最長久印象,這些人都是我繼續保持聯繫的人。我們都會互相幫助。」

Wentzloff 和 Calhoun 的學術實驗室最終創建​​了一台免電池的生理監測儀,該裝置可以追蹤使用者的活動、體溫、心率和其他訊號,並能將這些資料發送到手機上,裝置本身的一切運行全都依靠從人體熱量中所獲取能量來供電。

Wentzloff 指出:「那正是我們決定要將這項技術商業化的時候。」2014 年,他們倆與半導體產業資深人士 Brendan Richardson 合作成立最初名為 PsiKick 的公司。

公司一開始,也就是在 Wentzloff 將公司描述為「有 3 個人和一條狗的車庫」的時候,創辦人們試圖重新設計包含感測器介面、處理效能、記憶體和無線電訊號等完整運算系統功能的電路設計。他們還需要整合能量採集機制和電源管理功能。Wentzloff 回憶道:「我們把過去一筆勾銷,全部砍掉重練。」

創辦人們最初嘗試將他們的晶片賣給其他公司,以便在其上建立解決方案,但他們很快意識到業界對免電池晶片還不夠熟悉。「這需要一定的教育水準,因為當代工程師都習慣透過電池驅動的晶片進行系統設計,」Wentzloff 表示。

這樣的學習曲線讓創辦人們開始為客戶構建自己的解決方案。如今,Everactive 將自家感測器提供做為能結合無線網路和資料分析技術之更廣泛服務的一部分。

該公司的感測器可以透過微小的振動、工廠內只有 100 lux 照度的昏暗燈光,以及低於華氏 10 度的熱差(Heat Differential)來供電。這些元件可以感應溫度、加速度、振動及壓力等等。

該公司表示,其自家感測器的運行成本要比傳統感測器低得多,並且避免了部署數千顆電池供電元件所帶來的維護麻煩。例如,Everactive 便曾精算過部署 10,000 顆傳統感測器的成本。假設電池壽命為 3 年,則客戶每年平均需要更換 3,333 顆電池,亦即每天要更換 9 顆以上。

輕鬆擁有部署上萬顆感測器能力,全新可視性帶動下一代運算革命來到

透過維護和更換成本的大幅節省,Everactive 客戶可以部署更多的感測器。結合這些感測器幾近不間斷的操作,為操作帶來全新等級的可視性。

「如果願意的話,解除對感測器安裝的限制會給你一種第六感,讓你知道你的整體運作是如何進行的,」Calhoun 表示。「這實在令人興奮。客戶只要揮動魔杖,就能確切地知道他們所感興趣的地方正在發生什麼。部署成千上萬顆感測器的能力讓你宛如擁有魔杖的神力。」

藉由早已部署的數千顆 Everactive 蒸汽疏水閥感測器,Wentzloff 認為,該公司今後針對馬達及其他旋轉機械的感測器,將對 IoT 市場產生更大的影響。

除了 Everactive 旗下第二代產品之外,幾位創辦人表示,他們的感測器還要好幾年的時間才能達到半透明、柔性和郵票般大小的程度及要求。到了那時候,客戶只需要將感測器粘貼到機器上,就可以開始產生資料。這種安裝和使用上的便利性,其影響所及範圍將遠遠超出工廠現場。

「你想必聽過智慧交通、智慧農業等等,」Calhoun 表示。「物聯網有希望讓我們所處的所有環境變得更智慧,這意味著人們能夠意識到正在發生什麼事情,並能利用這些資訊來使環境能夠以符合我們需求並儘可能高效的方式運行。我們相信免電池感測是實現這一願景所必需且不可避免的關鍵,我們很高興能成為下一個運算革命的一份子。」

(首圖來源:pixabay