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“免电池”感测器:让所有环境变得更智慧的关键

2025-04-05 232


Everactive 提供了一个建立“免电池”感测器的“工业物联网”(IIoT)平台。许多分析师预测,未来 10 年,上线连网的 IIoT 装置数量将会呈现爆炸式的成长趋势。感测器在这些预测中起着重要的作用。 

不幸的是,感测器有其自身的缺点,其中许多是由于有限的能量供应以及有限的电池寿命所致。现在,新创公司 Everactive 已开发出可以全天候不间断运行,仅需极小量的维护,并且可以持续 20 年以上的工业感测器。该公司不是透过重新设计电池来制造这些感测器,而是完全取消电池的使用。

这一切的关键全在于 Everactive 的超低功耗 IC 积体电路,该 IC 会从室内光线和振动等来源收集能量以生成资料。感测器会持续将资料发送到 Everactive 的云端仪表板上,该仪表板会提供使用者即时洞察见解、分析和警示,以帮助他们善用 IIoT 装置的全部功能。

“这一切都是由支援连续性监控的超低功耗芯片来实现的,”Everactive 共同技术长 David Wentzloff 表示:“由于我们的电源是无限的,所以我们不必为了节省电池寿命而做出关闭无线射频或其他限制的权衡折衷之举。”

Everactive 在其芯片上建立成品,客户因此可以快速地大量部署。该公司第一个产品会监控蒸汽疏水阀(Steam Trap,又称蒸汽袪水器),其会将蒸汽系统中的冷凝水释放出来。这种系统可用于各种产业,Everactive 的客户包括油气业、造纸业和食品生产业等领域的公司。Everactive 还开发了一种用于监控马达与泵等旋转机械(Rotating Machinery)的感测器,该感测器运行在该公司第二代无电池芯片上。

透过摆脱掉与其他感测器相关的成本和限制问题,该公司认为自己将在由 IoT 带动之朝向未来工厂的转变中处于有利的地位。“这是一个完全零维护、免电池、由收集到的能源供电,并且始终与云端相连的技术。你可以透过它做很多事情,这或许让你难以置信,”Wentzloff 表示。

让感测器摆脱电池束缚,透过振动、微暗灯光及低热差就能供电

打从在 MIT 麻省理工学院共渡的时光以来,Wentzloff 和 Everactive 共同创办人兼共同技术长 Benton Calhoun 一起致力低功耗电路设计已有十多年。他们俩都在 Anantha Chandrakasan 的实验室里完成了博士学位。Anantha Chandrakasan 目前是 Vannevar Bush 电机工程和电脑科学教授,也是 MIT 工程学院的院长。 Calhoun 的研究重点是低功率数位电路和内存,而 Wentzloff 的研究重点在于低功率射频。

在获得博士学位后,两人都成为了他们大学时所就读学校的助理教授(Wentzloff 在密歇根大学,Calhoun 在维吉尼亚大学),他们至今仍在任教。即使两人各自在美国不同地区定居之后,他们仍继续进行合作、申请联合研究补助金,并建立结合他们研究领域的电路系统。

其合作并非单一个别事件:这两位创办人一直和他们在 MIT 的联络人保持联系。“到目前为止,我一直与学校同事和教授保持联系,”Wentzloff 表示。“他们是值得保持联系的极佳团队,尤其当你谈论到积体电路领域时为然。这是一个很棒的社群,我非常珍惜并欣赏这段经历以及由此产生的人脉。这无疑是 MIT 给我的职涯留下的最长久印象,这些人都是我继续保持联系的人。我们都会互相帮助。”

Wentzloff 和 Calhoun 的学术实验室最终创建​​了一台免电池的生理监测仪,该装置可以追踪使用者的活动、体温、心率和其他讯号,并能将这些资料发送到手机上,装置本身的一切运行全都依靠从人体热量中所获取能量来供电。

Wentzloff 指出:“那正是我们决定要将这项技术商业化的时候。”2014 年,他们俩与半导体产业资深人士 Brendan Richardson 合作成立最初名为 PsiKick 的公司。

公司一开始,也就是在 Wentzloff 将公司描述为“有 3 个人和一条狗的车库”的时候,创办人们试图重新设计包含感测器界面、处理效能、内存和无线电讯号等完整运算系统功能的电路设计。他们还需要整合能量采集机制和电源管理功能。Wentzloff 回忆道:“我们把过去一笔勾销,全部砍掉重练。”

创办人们最初尝试将他们的芯片卖给其他公司,以便在其上建立解决方案,但他们很快意识到业界对免电池芯片还不够熟悉。“这需要一定的教育水准,因为当代工程师都习惯透过电池驱动的芯片进行系统设计,”Wentzloff 表示。

这样的学习曲线让创办人们开始为客户构建自己的解决方案。如今,Everactive 将自家感测器提供做为能结合无线网络和资料分析技术之更广泛服务的一部分。

该公司的感测器可以透过微小的振动、工厂内只有 100 lux 照度的昏暗灯光,以及低于华氏 10 度的热差(Heat Differential)来供电。这些元件可以感应温度、加速度、振动及压力等等。

该公司表示,其自家感测器的运行成本要比传统感测器低得多,并且避免了部署数千颗电池供电元件所带来的维护麻烦。例如,Everactive 便曾精算过部署 10,000 颗传统感测器的成本。假设电池寿命为 3 年,则客户每年平均需要更换 3,333 颗电池,亦即每天要更换 9 颗以上。

轻松拥有部署上万颗感测器能力,全新可视性带动下一代运算革命来到

透过维护和更换成本的大幅节省,Everactive 客户可以部署更多的感测器。结合这些感测器几近不间断的操作,为操作带来全新等级的可视性。

“如果愿意的话,解除对感测器安装的限制会给你一种第六感,让你知道你的整体运作是如何进行的,”Calhoun 表示。“这实在令人兴奋。客户只要挥动魔杖,就能确切地知道他们所感兴趣的地方正在发生什么。部署成千上万颗感测器的能力让你宛如拥有魔杖的神力。”

借由早已部署的数千颗 Everactive 蒸汽疏水阀感测器,Wentzloff 认为,该公司今后针对马达及其他旋转机械的感测器,将对 IoT 市场产生更大的影响。

除了 Everactive 旗下第二代产品之外,几位创办人表示,他们的感测器还要好几年的时间才能达到半透明、柔性和邮票般大小的程度及要求。到了那时候,客户只需要将感测器粘贴到机器上,就可以开始产生资料。这种安装和使用上的便利性,其影响所及范围将远远超出工厂现场。

“你想必听过智慧交通、智慧农业等等,”Calhoun 表示。“物联网有希望让我们所处的所有环境变得更智慧,这意味着人们能够意识到正在发生什么事情,并能利用这些资讯来使环境能够以符合我们需求并尽可能高效的方式运行。我们相信免电池感测是实现这一愿景所必需且不可避免的关键,我们很高兴能成为下一个运算革命的一分子。”

  • The factory of the future, batteries not included

(首图来源:pixabay)

2020-10-05 14:05:00

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