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金山人語/不用電池的物聯網

物聯網,Internet of Things (IoT),藉感應器與軟體,把實體物件連接互聯網,來收集、分析、運算、傳送信息,增加實體物件的運作功能。這些可連網的「物」,從工業到生活越來越多,IBM最早預估2015年就會有一兆 (Trillion) 個物件連網,最近的具體估算是2018年有220億個物件連網,近年的軟硬體多設計連網功能,預估 2025年會增加到380億,而2030年會成長到500億個連網物件。

數量增大,問題漸漸凸顯,因為越來越多的無線連網物件,所用能源都是電池,電池有壽命需要人工更換,尤其在工業上,許多感應器受制於電池而降低功能,例如減少資料傳送延長電池壽命,或受電池大小或重量的限制減低功能,最怕是正當重要運作電池突然減弱,更不用說長期使用電池對身體健康有害,對環境造成污染。2017年京都超大型集體電路會議,有人提出工業用無線網路電池壽命達十年的論文,可見早有人預見電池問題。

看起來物聯網的問題不在「網」、而在「物」,也就是物的能源。生活上小的電器換個電池不是一回事,在工業上卻是大事,有時候更換的成本大於電池,如果一個工廠連網物件的數量很多,更換電池更可能疲於奔命。有人用 IBM 一兆件連網物、一兆個電池,做有趣的比喻,就算電池有十年壽命,那每天也要更換2億7千萬個電池,如果電池壽命沒有十年、僅有兩年,那全球每一個人每隔五天,就要去什麼地方幫忙換一個電池。

兩位MIT的同學,Ben Calhoun與Dave Wentzloff,現在分別是Virginia與Michigan大學的教授,也是 Everactive 公司的創辦人,他們的專長是超低功耗電路 (Ultra Low Power Circuits) 的研究,認為物聯網的擴大只有一個方式,就是不用電池,改以超低功耗的電路設計,以及超低功耗的無線網路。這樣與互聯網銜接,不但耗電量小,而且能自動從周遭環境,如室內陽光、熱能變化、無線電波、振動等取得能源,成為自帶動能的設備。

這個設備首先用在蒸氣祛水器的監視,蒸氣雖然是很久的技術,但工業上仍多處用來製造能源,祛水器排除蒸氣管路的冷凝水,使管路中的蒸氣順暢運作,如果故障,不但浪費能源,嚴重的導致停機,甚至有爆炸的危險。這些祛水器有的深埋地下、有的安裝高層樓,維護極為不易。

兩位教授的超低功耗無線網路感應器,吸引了製造祛水器的Armstrong公司,合作發展物聯網的蒸氣祛水監視器,就在去年為一個工廠安裝了1,200個物聯網祛水監視器,為廠家節省了250萬美元的能源費,也減少34,000 噸CO2的排放,等於7,000輛汽車從路上消失一年,也同時免於6,000萬加侖的水流失。

不用電池,不僅省事,也是讓大家快樂的一件事,當RFID出現用在很多卡片上,對著門一晃門就開了,感覺進入了先進的數位時代。手機已經成為我們身體的另一個器官,讓我們成為人機同體的未來人,卻要讓我們忍受不停的充電,不知超低功耗的元件能不能放進手機,在電力不足的時候還能維持基本的運作,這當然是外行話。不過消費電子、特別是連網的穿戴精品,像是項鍊、耳環、手錶,應是另一市場。

但兩位教授現在更關切疫後的經濟復甦,疫情使人力減少,在重新評估新的營運之際,更需要對不容易取得資訊的異地即時掌控。Calhoun 教授說,我們相信未來所有的環境與資產,都會被妥善的監控,提供足夠的資訊給電腦運算,讓世界更有效率、更安全,讓生活更美好。而我們Everactive公司,要成為這一願景的一員,不需電池的技術,正朝著這一方向進展。

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