藍牙5 (Bluetooth 5)標準主要是為了讓家庭、汽車或工作場所等範圍內的設備分享資訊,也就是說,此新版本藍牙具備可能會吸引某些物聯網(IoT)應用的特性。美商Atmosic Technologies正專注於開發低功耗藍牙5無線平台,以實現如該公司所形容「在任何地方都保持連線」(Forever Connected, Anywhere)的IoT裝置網路。

全新藍牙5提供眾多超越舊版藍牙的性能演進,包括四倍的傳輸距離、兩倍的速度以及八倍頻寬。藍牙5擴展了前幾代版本已經提供的功能,旨在提供連網裝置之間更大的靈活性與互動性;而智慧型手機與平板裝置,會是讓藍牙5與整個物聯網連結的關鍵。

許多物聯網應用程式需要長距離但頻寬容量最小的連結,僅需間歇性傳輸資料。藍牙5還可為其他物聯網應用提供網狀網路(mesh networking)選項涵蓋大量的節點裝置;網狀網路是不需要單一控制中樞、去中心化的裝置連結體系,是一種真正的點對點通訊網路,其中的各個節點都是均等的,不同的產品之間能互動並共同合作。

藍牙5標準也特別注重連結安全性,這主要是為了避免與其他網路中的無線裝置相互干擾,從而促進物聯網的應用。估計到2023年,全球將會有超過300億藍牙裝置,其中應用於物聯網的比例將持續成長。

Atmosic以RF CMOS設計專注於低功耗物聯網應用,甚至號稱能不必用到電池,以避免任何與續航力相關的問題。能丟掉電池會對裝置成本與維護帶來重大影響,而藍牙系統的成長與演進,肯定會與物聯網產業在這些年與未來幾年的成長息息相關。

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藍牙5可實現延長裝置電池壽命的改進。
(來源:Atmosic)

「如果你很討厭換電池,你會喜歡我們為了解決這個問題而開發的技術;」Atmosic顧問、也是Alphabet (Google母公司)董事會主席John Hennessy表示:「Armosic的團隊正在應用其廣泛的無線與低功耗專長,將創新的設計推向市場,我們的任務是重新定義電池壽命。」

Atmosic副總裁Srinivas Pattamatta表示,許多物聯網終端節點是以電池供電,以提供真正的「無線」解決方案,但是頻繁替換電池的機會成本遠高於電池本身的成本;因此可實現不用電池或是永久電池壽命的解決方案,將能顯著減低經常性的營運與機會成本。

為此Atmosic已經開發了三種創新技術,包括低功耗無線電(Lowest Power Radio)、隨需喚醒(On-demand Wake-up)以及可控制能量採集(Controlled Energy Harvesting)。這些技術首先是要克服信標(beacons)、健身追蹤器(fitness)等物聯網裝置在能量與管理方面的挑戰,其可控制能量採集技術號稱能將電池性能推向一個新境界。

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Atmosic的超低功耗藍牙5晶片。
(來源:Atmosic)

Atmosic的M2系列解決方案符合藍牙5標準,並具備低功耗無線電與隨需求喚醒技術,能帶來10到100倍的省電。該公司的M3系列方案則又添加可控制能量採集技術,支援可確保電池壽命或是永遠免換電池的運作。

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Atmosic的解決方案。
(來源:Atmosic)

藉由能量採集方案,物聯網系統能產生的數十毫瓦(milliwatts)電力,效率(efficiency)達30~40%;不包括RF路徑的損耗。RF能量採集方案的性能需要以各種參數來評估,例如效率、靈敏度、操作距離、輸出功率等,被定義為用以進行比較的標準;品質因數(Q factor)通常被定義為描述共振強度的無音次數值(dimensionless value)。

每一根天線都有最佳運作頻率,也就是共振頻率(resonance frequency),是由天線的電感與電容特性來決定。天線的電容與電感,是天線本身的頻率與實體尺寸的函數;當天線尺寸越大,共振頻率就越低。而天線的頻寬是天線能有效運作的頻率範圍,窄頻天線能提供優異的轉換效率,但只能恢復有限的能量。

能量採集可利用多種環境能源,為低功耗設備提供無限的運作壽命,也消除了對眾多物聯網應用來說價格高昂又不實用的電池替換。無線電頻率能量採集帶來的可能性,為從內部與外部收集RF能量的概念提供了發展空間。無線電頻率範圍內以及能量範圍內的任何特性,只取決於熱雜訊(thermal noise)的自然閾值,以及收集能量裝置本身的性能。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: The Next Wave of IoT Bluetooth Devices Might Not Have Batteries,by Maurizio Di Paolo Emilio;本文作者為EE Times歐洲版駐義大利技術編輯/物理學博士)