(干货)能量回收技术——物联网的未来

 时间：2016.01.14 下午

地点：深圳南山软件创业基地 IC咖啡

演讲主题：打造无电池绿色环保物联网——赛普拉斯能量收集解决方案

演讲人：李冬冬，Cypress半导体模拟芯片产品经理

主持人：接下来进行第二场演讲，刚才提到了5G的应用场景是现在非常火爆的IOT的应用，市场空间很大，但是大家也都知道，经历了2015年上半年投资的狂热以及一些创业、创新在IOT领域的热潮，但是现在这股热潮我们观察趋于冷静，人们的目光重新回归过硬的产品设计和用户价值、应用空间上。2016年产业将开启更多细分市场以及比较多产品形态的个性化开发时代，所以今天我们接下来的这场演讲，我相信会给大家带来不一样的设计上的提升，特别是在能耗节能和电池的节省方面。

大家都知道IOT时代带来的是数以万计的大数据和几倍于人口数量的传感器的应用。传感器对物联网的应用不可或缺，但是大家也知道，很多传感器的部署和场景往往不太适合经常更换电池、也不方便去更换这么大量的电池。我们接下来的Cypress的介绍是有关于他们能量收集方面的最新技术。这里也分享一下，最近在CES的展会现场他们也做了相应的展示，Cypress的太阳能的蓝牙能量收集技术已经被美国知名的ID博客评为CES十大最佳技术，我们也非常期待他们将CES上最新展示的方案给我们做一个讲解和介绍。

介绍一下接下来的这位演讲嘉宾，他是Cypress半导体模拟芯片产品经理李冬冬先生。李冬冬先生目前负责Cypress的产品在亚太区的推广。李先生加入Cypress之前，曾在美国研诺以及富士通半导体担任过研发工程师、市场工程师等职位工作，具有丰富的技术和市场推广经验。我们有请李冬冬为我们介绍在CES上被评为十大最佳技术之一的能量收集技术。有请李先生!

李冬冬：各位上午好!

很高兴来到深圳，很高兴来到IC咖啡，很高兴能参加ICT这个媒体论坛。我是来自Cypress模拟芯片的李冬冬。

我看了一下在座的各位，大家都是出生在20世纪的吧?没有00后吧?我也是出生在20世纪。在我小的时候，是20世纪末，经常看一些科技性的文章和科技性的电视，里面经常有一些对21世纪科技的猜想，其中我印象比较深的几个，一个是说21世纪智能科技要取代人类。我记得印象还比较深的是我们不需要吃饭，吃牙膏一样的东西就能生存下去。我不知道大家现在吃牙膏一样的东西能不能生存，反正我不行，我早上吃了两个包子。当时听了很多关于21世纪的猜想，我们现在已经处于21世纪，21世纪也过了十几年了，对于过去的很多猜想看起来虚无缥渺，反而是当时没有猜想到的一些东西现在成就了我们意想不到的东西，最最突出的是什么?大家在20年前永远没有想到的东西，网络。谁能在20年前、10年前想到网络能把我们的生活改变成现在这样子?如果大家20年前能想到的话，在座的都是马云，对不对?最牛的是互联网。第二牛的是物联网。

互联网已经让我们看到了它巨大的能量，但是物联网还在发展或者说前期的准备工作中。今天就让我跟大家一起聊一聊物联网的一些事情。

职责所在，我是Cypress的员工，所以容我先介绍一下Cypress的这家公司。我们是NewCypress，因为Cypress在2015年和美国另外一家半导体股票互换变成一家新的公司。Cypress原来是在全球最大的SRAM供应商，也是全球最大的in nvSRAM提供商，也是拥有30年PSoC经验的公司。Spansion是日本最大的Memory for Embedded产品线供应商和Analog产品线供应商。

合并了以后，新的Cypress是大概每年收益在20亿左右美金的一家芯片公司。合并以后的全球员工数在7000左右。合并以后产品线也非常丰富了，有Memory，还包括汽车方面的MCU，还有PMIC，还有蓝牙和电源管理芯片。

这是我们Cypress关注的市场(见PPT)，从Mobile Devices，到手表、医疗等等，所有用到芯片的地方就有Cypress的应用市场。

前面是对Cypress的介绍，简单来讲是，我们是一家芯片公司，什么芯片都卖。

回到我们的主题，我们看一下物联网的一些事。

“物联网”这个概念其实出来的很早。我们从2013年开始，各大公司都有对物联网的预测。这个预测在于什么呢?觉得物联网是万物相联。这个预测是我们到底有多少器件在未来会被连接到网络上。从2013年开始，高德纳(音)是非常著名的一家技术分析公司，他提供了一个数据，到2020年世界上将会有250亿的器件会被连接到网络。同时，思科在2014年的时候也给出了一个数据，他说到2020年全球会有500亿的器件被连接到网络。在其后的几个月，英特尔也给出了一个数据，跟他是一样的，也是500亿。另外还有ARM30亿。不管是怎样的数据，这个数据都是一个非常巨大的量级。

我们到2020年，人类的人口是多少?我们预测是70亿人口。我们身边的器件至少有几百亿会被连接到网络。这意味着什么?意味着生活当中，一个人身边将会有7-10个左右的器件是被连接到网络的。

相对应的其他一些市场，大家现在看到比较大的市场是PC的市场，也就是电脑。全球每年有多少个PC?只有3亿。还有一个很大的市场，刚刚也有提到，就是手机，到2020年一个人可能有三台。有多少台家电?50亿，无论哪个数量级都非常大，所以物联网市场是未来最大、最值得期待的市场之一。

这张图(见PPT)是我为了今天的会议特别找出来的图，我觉得特别适合今天的会。这张图也是Gartner2015年发布的新兴技术成熟曲线图。大家可以看一下这个图，竖轴是技术的期望度，横轴有几个区间，第一的区间是技术的萌芽期，第二个区间是高峰期，第三个区间有人叫幻灭期或者失望期，我们把它叫冷静期，第四的区间叫复苏期。最后一个期是稳定期，就是可以去量产，可以真正的对我们的生活有益处。这张图中IOT在哪里?IOT在高峰期的最高峰。单纯从这张图大家能看出什么?其实还有一张图是2014年的，我没有放上去，2014年IOT也在这里，也在高峰期，但是在爬坡。这是2015年发布的数据，它已经到了高峰期的临点，这已经发生了变化。这个技术是第一次出现在这个阶段，处再萌芽期的爬坡期。无论是IOT还是IOT平台也好，冠以这个技术的是我们期待的，但是真正实现这个技术的，我们也希望这个技术能够大卖和成熟。这里有一个绿色点，意思是5-10年以后会变得趋于成熟。

今天是媒体论坛，我想大家都需要听一些新的东西，所以就把这些数据拿出来，让大家看一些跟现在成熟的东西不一样的东西。

下面再讲一些案例，听故事总归是比较有意思的。这是一家IOT的案例，小松在2001年的时候做了一个巨大的改变，当时没有物联网这个概念，但是他应用到了物联网这个东西。他是做一些机械仪器的。他的机械仪器是搭乘了GPS、传感器和网络，它可以快速的去定位机器在哪里，去不停的检测机器的状况和检测机器的故障，这是它的作用。最终对客户能产生什么益处呢?首先，他有GPS，可以快速的找到坏掉的机器在哪里，以最快的速度帮你修好。第二，到了现场以后，因为一直有传感器检测机器状况，可以快速的分析故障在哪里，在现场可以非常快的帮你修好。这样的好处在于什么?这是工业，工业最大的麻烦在于停产，不在于坏，一停产损失是非常非常大的。这个技术中文叫康查士系统(KOMTRAX)(见PPT)，大家可以上网去查一下。像这种系统可以非常快速的解决客户的故障，减少你的停产时间，而且可以帮你预估机器什么时间应该维修或者维护一下，非常智能化，而不是出现很大故障以后去修，一修就好几天。虽然小松的机器比其他的机器贵很多，但是客户也会认同，因为可以节省因为停工而产生的一些损失。自从小松在2001年开发这个系统，2001年的时候小松属于财政赤字的最低端，自此以后，因为这套系统他慢慢的改善了自己的财务状况。这是工业方面的成功案例。

接下来Nest这家公司，这家公司以前我没有听说，因为它的产品只在美国卖，在中国没有，最出名的事情是被Google收购了。知道多少钱被收购的吗?32亿美元。大家想一想，只有两个产品的一家公司用32亿美元被国际性的最大的互联网公司Google收购。

他们只做这两个产品(见PPT)，第一个产品叫温控器或者叫恒温器。温控器里面可以自我学习，里面搭配了各种各样的传感器，有温度、湿度，还有一些对于动作判断的传感器。另外，它搭载了网络，它是用WiFi的。它可以监测室内环境的温度、湿度以及有没有人，自动的去控制家里面的温控系统，包括你的空调。这个为什么在美国卖呢?因为美国别墅里面还有通风系统，因为都是独门独户的，家里的暖气系统比较复杂，不只是空调，还包括通风系统，这个恒温器都可以进行控制。

你还可以通过你的手机远程的控制这个恒温器，它还可以自我学习。比如说你有一天设定好家里在这个时间点是这个纬度，家里一个人或者两个人的时候分别是什么纬度。然后它会记住，如果你在家里不做相应的改变，它就会把这种特定的模式调出来，非常智能。这个公司卖的好评很好，但是没有大卖。Google收购了之后，跟奥斯汀的一个电力公司进行合作，跟奥斯汀的电力公司说我免费给你，但是你省下来的电5%给我。那一年一个月整个奥斯汀省了110亿美金的电。平时卖多少钱?本来卖249美金，也就是250美金，所以在2014年用一个月时间，这一款恒温器送出了10万个，省了110亿美金的电费。

根据其他厂家和恒温机构的评估，像这个恒温器能够帮助家庭节省12%-15%的电费，也就是暖气的电费。从能源部门来讲，他们评估说这个恒温器可以节省20%的暖气和制冷的能源费用。这是它的第一个产品。

第二个产品叫烟感器。由于时间有限，我不具体介绍，只讲一下它的商业模式。技术差不多，里面也是搭乘了传感器和WiFi。它的商业模式是跟保险公司合作，跟美国的两大保险公司合作，也是低价或者免费的提供给客户。如果客户在家里使用这个烟感器，保险公司做一个事情，可以免费的把你的保费降低5%，对于保险公司来说也安全，对于客户来说也需要，他也安全。大家知道保险是为了安全。

另外这个产品(见PPT)这是监测家庭里面有没有一些异常情况，这是Google收购之后一年发布的产品。这是智能家具的应用。

我们再看一下这个，这张图比较有意思(见PPT)，这家公司叫DAIRYMASTER，是欧洲一家奶酪业的设备厂家。我之所以听说它是因为它发明了一套系统，叫幕尼塔(Moo-Monitor)(音)，有一个中文名字叫奶牛自动发情检测系统。它是用来干什么的?最主要的功能是检测这个牛的发情时间，准确率可以达到88.6%。为什么会有这样的一个系统呢?因为母牛的发情期通常在半夜。欧洲人注重生活，晚上不可能盯着牛，但是牛发情了他也没有办法，错过发情时间牛就生不出来，导致错过一个周期，产奶量会低很多。有了这个系统就可以监测牛的发情期，24小时不断的监测。一旦这个牛快发情了，它就告诉农场主，农场主就把公牛、母牛放在一起。给大家几个数据，我们只说美国一个地方，可能美国一个地方一年因为这个系统可以提高3亿美金的奶酪的产量和成本的削减。大家知道全球有多少头牛吗?有2.5亿头牛。同时，联合国的粮食组织发布了一个数据，说全球有10万头猪和10万头以上的羊。如果把这个DAIRYMASTER发布的产品，除了应用到牛身上，再应用到猪和羊身上，这个产生的效应是非常大的。这是农业方面的。

前面举了工业、智能家居以及农业方面的例子，我们看一下物联网是怎么产生的架构。

非常类似，虽然是不同的市场、不同的案例，但是架构是非常类似的，都同样的需要传感器去监测环境，然后需要一个网络去传输数据。在物联网当中最重要的点是两个：一个是传感器，第二个是网络。网络方面前面已经讲过了，我正好不用讲了，那我来讲一讲传感器。

刚刚的应用案例当中，大家有没有发现，我们讲到的传感器有一个特点，全部是无线的。我们讲到2020年全球有500亿的器件会被连接到网络，在这500亿的器件当中将有50亿的器件是无线连接的。我们认为无线传感器结点的市场规模到2020年是10%-20%连接到网络器件的份额。

接下来谈一谈无线传感器节点。刚刚讲的最重要的是无线传感器，我们现在的无线传感器没有什么问题，用了就完了。很简单，我们现在的无线传感器少，目前全世界也就1-2亿个传感器节点，目前最主要的是用电池给传感器供电。问题是到了2020年有50亿的无线传感器节点需要供电，你每年需要更换巨大数量的电池，电池的浪费以及电池对环境的污染，包括人工换电池的维护费用，这些是非常巨大的，所以这是我们无线传感器最巨大的挑战，就是怎么让它供电。除了费用以外，我们发现在一些物联网的环境，比如说交通、桥梁监测、湖海河流监测，包括智能家居，比如说楼宇、烟囱，在这些地方你放置了我们的无线传感器节点，想起一个有意思的话题，我看到在座的有北京来的朋友，我不是说北京的坏话，我去北京看到一个客户，看到那个客户我当时没有想什么，最近突然跟一些热点联想在一起，中国最牛的侦探，就是朝阳区群众。这一帮侦探很牛，经常可以找到那些大咖。我们北京客户也搞了一个这样的系统，他们实验室有一个比这个还大的屏幕，他们显示给我们看一些东西，他说让我看朝阳区的情况。他们做了几个事情，是朝阳区政府让他们做的。什么事情?第一个事情，去朝阳区不要乱停车，他们地底下都埋了东西。没有收费的地方，他在地底上埋了传感器，你们看不到，因为都是半夜施工。他说，你看，这些地方都是乱停车的，一会儿就被警察给查了。

还有一个地方摄像头，放在电线杆上，可以监测到朝阳区的室外情况。室内情况我们不知道怎么监测的。像这种地方你怎么可能铺这么多电线，没有办法改变这个基建，只能挖一个地方放在里面，换电池很麻烦，人工也很贵，每隔半年跟政府讲一遍，你要经过多少审批，要花多少钱，所以这些都需要不需要换电池的技术。什么样的技术不需要换电池?就是我们今天讲到的能量收集技术。

能量收集技术可以减少一部分电池的使用，可以让我们的无线传感器结点受到的一些限制性减少到更少。到底什么是能量收集技术?简单讲就是把环境当中的能量收集起来，然后把这种能量应用到电力、应用到我们的无线传感器节点，应用到我们的RF的这种技术。环境当中什么能量是可以被利用起来的呢?像我们最常见的是光能、动能、热能，这些能量都是可以被收集的。

这张表是能量收集的范畴(见PPT)，风车发电也是能量收集，但不属于这个范畴。从100毫瓦到10纳瓦以上，像下面这个属于1豪瓦级别，1瓦方面就是像GSM手机，这个范围就不属于能量收集了。

这是我们日常比较熟悉的能量收集(见PPT)，计算器、手表，这个表盘就是能量收集的器件。

这里再给大家讲一些故事。这是一个海象，上面放了一个监测器，监测海象从美国东海岸游回到阿拉斯加的路线。如果用电池的话，它游不到一半就没有电了。这里面放了两个能量收集的装置，一个是光能的，一个是动能的，结合起来，让这个传感器和记录器一直的保持工作。

这是应用在动物身上的(见PPT)，跟刚才的牛身上的类似，但是那个牛的是用电池的，这个马的是用振动的动能，马肯定经常动，动起来就会产生能量，会监测这个马的骨骼和血液情况。

左下方的图(见PPT)是印度的电钢厂，印度虽然比较热，30度、40度，中间有一个温差，会产生能量给这个传感器供电。做这个设计的时候是和电池一起配合使用的。这一个新应用，到目前为止三个月了，这个电池还没有更换。

这是有名的Google眼镜(见PPT)，有一个是监测眼睛的血糖成分的，完全也是没有电池的。

最后一张图叫施华洛士奇他们发布的两款智能手表，这边透明的是用电池的，可以使用六个月。这一款叫紫罗兰款，里面是用能量收集技术做的，里面的表盘是太阳能面板，可以不用电池，一直工作。

这些是我们能量收集的一些应用。能量收集的是怎样的呢?我们首先需要一个能量收集的器件，比如说太阳能面板收集光能，这个板收集动能，通过管理芯片把这些不稳定的能量转换成稳定的能量存储在电容里面，电容再给这个系统供电，这是一个过程。

在这里还要讲一下，我们虽然全球有各种各样的近距离无线技术，但是对于能量收集来讲，最适合我们的技术是非常低功耗的技术。像BLE搭乘了这个技术，将是能量收集最好的应用。

接下来介绍一下我们的芯片。我讲到我们在无线传感器的设计当中工程师会面临一些问题。第一个问题，如果我用电力线去供电，那个数据太大了，那么多传感器，电力线的安置费用抬高了。第二，如果用电池供电，需要经常的周期性的更换，而且很多地方还很难换，维护费用很高。我们就需要收集来做，能量收集也会有一些缺陷，缺陷主要在于传统能量收集会受到一些限制，比如说光照比较弱的地方怎么办?对体积要求比较高的，特别是工业的或者消费类的，比如说可穿戴的一些地方它怎么去用?另外，我们能量收集方面还有很多计算，当然能量收集并不是太阳能面板接上去就可以了，需要存储的计算和稳压的过程。这里面我们还需要非常特殊、非常低功耗的芯片。另外还有计算，需要特别多的计算。这些都是工程师会面临的问题，当然我们Cypress能解决这些问题。

我们在去年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、最低功耗的无线传感器，应该说是太阳能供电的无线传感器模块。我给大家看一下有多小。就是我手中这么小，跟大家的拇指盖差不多大小。今天我们有带样板过来，大家可以看一下。

这个模块是依据我们的S6AE101A的能量芯片做的。给大家说几大特点：第一大特点，超低功耗，它的电流只有250纳安(nA);第二大特点，这个数据250nA 全球第一;第三个特点，集成度非常高，不需要你外围搭乘任何电源方面的芯片，一颗就搞定。所以我们可以用一平方厘米的太阳面板就可以让这个芯片工作起来，让这个系统工作起来。

这表虚线是一平米太阳能面板的功率，这是Cypress的电源管理系统功率，这是竞争对手的能量收集功率，其他家至少在900的属于才能用一厘米的启动，我们在100多的时候就可以启动。