能量採集足供原型系統運作　零耗能IoT裝置開發不是夢

對於僅需要傳輸少量數據的應用來說，NB-IoT與其他的低功耗廣域(LPWAN)技術讓裝置維持長達10年的電池壽命不成問題。然而對其他需要較高功率的裝置而言，利用能量採集技術來開發「淨零功率」(Net-zero-power)IoT裝置，會是適合的解決方案。

想像一下，若物聯網裝置能從周遭環境獲取源源不斷的電源，年復一年持續運作，會是什麼樣的情景？事實上，溫差、振動、電磁輻射、陽光、風或是其他形式的能量—如流經管道的水—任何的外部來源都有可能轉化為電力。

利用能量採集技術為電池充電，可適用於運作期限較長、較不需要維修的裝置。以智慧瓦斯量表為例，其能利用冷導管和周圍空氣間的溫差，或馬達產生的振動來充電；如果設計良好，使用壽命完全不受電池影響，而是取決於其他內部電子元件的壽命。

低功耗廣域通訊與能量採集適合一起運用，前者是把所需的操作功率降至最低，後者是增加可用電源，兩種技術都為了增加裝置之自主性電源管理而開發。但若要將此技術導入功耗較高的裝置，如衛星定位系統，則挑戰性會變得更高。

能量採集原型系統主要功能

為了測試能量採集運用在IoT裝置上的可能性，研究團隊開發了一個原型系統，其中結合定位與無線通訊技術商ublox NINA-B1藍牙模組、ublox SARA NBIoT蜂巢式模組以及ublox ZOE-M8Q GNSS接收器。此裝置利用太陽能電池、振動能量轉換器(Transducer)，以及熱電發電器三種不同來源，透過溫差進行能量採集並產生電力。

以下的方塊圖顯示此原型系統的主要功能，重點說明如下(圖1)：

・能量採集轉換器：

如上所述，此系統採用太陽能、振動和電熱三種來源，每種能源形式的轉換特性各不相同。例如，熱電發電器在加熱和冷卻時具有非常慢的時間常數(Time-constant)；而太陽能有非常特定的每日工作週期，振動能則雖然功率較低，但卻更為穩定。電氣輸出端輸出的電壓/功率取決於能量輸入，若沒有能量輸入，則沒有能量(電壓)輸出。每種轉換器都有一個最佳的轉換運作點，須確實掌握才能取得最佳的轉換效果。

・能量採集ASIC：

此晶片的作用是接收轉換器電壓/功率，將電壓提升至可用程度，再將能量儲存在電容和/或蓄電池。若欲取得最佳的系統轉換效率，此ASIC需與採用的能量採集轉換器妥善搭配。

・電池：

由於開發板的面積不大，團隊選用鈕扣型電池，原電池為3.0V鋰電池，蓄電池則為4.2V鋰離子電池。不過請注意，這些鈕扣電池並不支援工業溫度範圍。

・超級電容：

電池若以緩慢充電和放電的方式運作才能得到最佳效能，快速充/放電會大幅縮短其使用壽命。

由於鈕扣電池無法提供蜂巢式數據機所需的短峰值電流，因此，團隊在系統中加入了超級電容器，其透過能量採集ASIC充電、由電池維持電力，因而能夠提供所需的高電流短脈衝。

・DC/DC轉換器：

1.8V轉換器是主要轉換器。當能量採集ASIC偵測到儲存能量高於預設值時，切換的輸入電壓將會為此轉換器供電，接著轉換器再為NINA-B1低功耗藍牙模組(作為主機處理器)、感測器，以及ZOE-M8Q GNSS SiP模組供電。另一顆3.3V轉換器則是專門用來為蜂巢式模組(SARA-R4或SARA-N2)供電。

・感測器：

採用多顆能以低功耗運作的感測器，包括濕度/壓力/溫度、光線、三軸加速、磁性位置，以及GNSS SiP模組等。每個感測器都須搭配軟體驅動程式，以確保能讀取數據、正確啟動及配置，並能在閒置時保持最低功耗。

・主機CPU：

考量到可程式性、低功耗以及IO組合，包括GPIO、I2C、串列埠和三個ADC接腳等特性，在此系統中以u-blox NINA-B1模組作為主機處理器，其內建ARM Cortex-M4處理器，並有512kB快閃記憶體和64kB RAM，能夠在保留RAM的情況下休眠，並具有從板上RTC喚醒的能力，而消耗電流僅不到3μA。

其採用1.8V電源供電，可輕鬆與感測器和SARA-R4/N2系列模組介接；ADC接腳用來監控VBAT-OK、VIn和Vpri上的電位；主機執行100%的時間，但主要以32kHz時脈運作，並喚醒去讀取計時器上的感測器和轉換器/電池的電壓值。而該處理器還能控制使用哪一種能源，其NINA-B1模組支援藍牙低功耗，而系統軟體編寫方式可以使其除了使用有線感測器外，還可以讀取無線感測器。此外，該模組亦具備NFC功能，本參考系統設計中並未用到，可以視實際應用需要加以運用。

・軟體開發：

在主機CPU中執行的應用程式是以C/C++在mbed-os上撰寫，並透過單線除錯(SWD)和Segger JLink除錯器編程。軟體的運作方式，簡單來說是從所有元件的自我測試開始，然後從NINA-B1即時時脈或感測器的干擾觸發，執行事件迴路以進行週期性的喚醒運作。

原型系統實際測試實現能量採集供電

接著製作數個適用於戶外的原型系統，其中採用1×4公分的太陽能板，實際部署於美國、德國和英國，並讓它們能主動回報感測器數據到網路伺服器。

在美國是利用支援AT&T LTE-M網路的SARA-R410M模組；在歐洲則採用SARA-N211模組，於Vodafone NB-IoT網路上運作。此外，室內原型系統則連接到振動能量採集器，並將此採集器安裝在一台馬達上。

如圖2所示為實際開發的單面電路板，採四層設計，厚度為1.5mm，左邊有GPS和蜂巢式兩個天線，左上方則有SIM卡槽。

室外用系統則是把電路板放在防風雨的透明塑膠箱內，並以太陽能供電，如圖3所示。

實測結果顯示，利用u-blox關鍵元件，確實能夠開發出利用能量採集供電的IoT裝置，並透過NB-IoT或LTE-M蜂巢式網路連接至伺服器。此裝置能夠每幾分鐘就喚醒一次來收集資料，再以蜂巢式網路每幾小時傳送一次資料，以持續為伺服器提供資料。 此系統的主要設計重點包括：

・採用u-blox SARA-R4或SARA-N2系列LTE-M或NB-IoT模組、NINA-B1藍牙模組，以及ZOE-M8Q GNSS模組。

・謹慎的電路設計：利用高電阻與低漏電元件來最佳化閒置電流。

・謹慎的軟體設計：利用所有元件的最深睡眠模式、監控系統狀態/歷史來管理能量支出，並採用高阻抗的硬體設計。

事實上，這些要點適用於所有低功耗IoT裝置，不僅限於能量採集解決方案。在實際運作時，發現太陽能和振動能量來源都能成功被利用。尤其是太陽能的充電效果出色，其振動能量源非常穩定，但供電能力較弱，不過仍足敷使用。

從元件成本的觀點來看，能量採集解決方案與原電池式解決方案的可用性，主要取決於電池的選用，而這又涉及到系統的能量預算。

如果IoT系統中唯一消耗能量的是LPWA，那麼原電池解決方案最具成本效益，可達到十年的使用壽命；然而若考慮其他負載，如安全更新、致動器或感測器需要更大的功率等，那麼能量採集就可能是較具成本效益的解決方案。

能量採集系統的優點在於其工作壽命僅受到元件使用壽命的限制。由於考量裝置維護的高成本，以及節能議題的重要性日益凸顯，預期能量採集技術將逐漸獲得業界關注與採用。

技術商如u-blox的產品，包括LPWA以及定位和短距離無線方案，皆具備低功耗特性，是支援工業IoT裝置的選擇之一，能使無線感測裝置運作所需的功率降至最低。在設計能量採集應用時的重要關鍵，是知道每次資料傳輸消耗的功率，以及能夠擷取到多少能量。

從實際開發的原型系統來看，妥善結合相關元件，利用能量採集技術來為IoT裝置供電，以進行資料感測並把資料傳送至網路伺服器是可行的。表1為系統中u-blox模組的重要效能參數。

因應未來趨勢最佳化電路設計勢在必行

此原型系統只是一個簡單雛形，還有多項議題可再進一步研究，以使系統更精進，如採用更大面積的太陽能面板，以探討此能源更廣泛的可用性；並最佳化3.3V穩流器設計，以降低功耗。

此外，亦改善裝置軟體，使其喚醒運作更有效率，以及為通訊鏈結增加安全性等。

總結來說，設計一個能量採集系統與設計任何一種低功耗IoT裝置並沒有不同，其重點在於最佳化電路設計，使閒置電流盡可能降低—高電阻、低漏電流元件，是實現此目標的關鍵。

此外，良好的軟體設計至關重要，需採用深度睡眠模式，控制能量消耗，並把高阻抗硬體設計納入考量。

根據2017年歐盟報告，未來將有越來越多的IoT裝置採用能量採集技術，其中商用和家用市場將各占一半。隨著感測器和各種IoT裝置成為企業、城市以及人們生活的一部分，此趨勢將持續成長。開發人員應關注此議題，並提早建立相關設計經驗，以掌握未來的應用商機。

(本文作者分別為u-blox蜂巢式技術硬體主任工程師/嵌入式軟體主任工程師)