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类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

本文作者:李小敏 2014-07-09 12:00
导语:iFind在Kickstarter上失利之后,引来了巨大的争议,用户普遍怀疑iFindde技术和专利,本文是一个由通信转行到移动健康管理的80前工程师对iFind技术全面分析。

本文作者yee是一个由通信转行到移动健康管理的80前工程师。

在已经有无数个蓝牙防丢器产品上市后,WeTag团队的iFind之所以还能够在KickStarter网站上引起大家广泛关注,并成功筹集到超过50万美金的支持,是因为它有一个巨大的技术卖点——“Battery-Free”,它号称是世界上第一个不用电池工作的BLE防丢器,所需的能量完全来自于用户所处的WiFi环境,将这样微弱的无线信号能量采集出来,供iFind连续地工作。

但正是因为这样一个有着巨大吸引力的技术,iFind在5月16日正式上线KickStarter后,就一直处在争议之中。用户对这个产品的技术可行性提出了极大的质疑,甚至支持过的用户也威胁项目团队,如果不拿出合理、可信的证据,就取消支持。5月21日知名黑客网站Hackaday的Mathieu Stephan发表文章《Ask Hackaday: Can Battery-Free Bluetooth Item Locating Tags Exist?》[1],从技术的角度质疑这个产品,该文借鉴同类产品SticknFind的功耗,认为即使在一个全功率发射无线信号的路由器2米外,也不能获得iFind工作所需的基本电能。6月8日,DropKicker网站采访了WeTag CTO Paul McArthur,并在此基础上发表了题为《iFind RF energy harvesting bluetooth beacon》[2]的文章,即使iFind的很多技术细节在采访中得到了McArthur的完整描述和确认,但作者仍然质疑在这么小的尺寸下实现iFind所描述功能的最终可行性,并且就iFind在KickStarter发布的产品介绍视频中涉嫌造假的几个细节作出了深入分析。KickStarter的用户Sarah更是详细列举了12条iFind涉嫌欺诈的事实[3]。

为应对质疑,WeTag在KickStarter上先后发布了两份测试报告[4][5],因为测试结果中某些细节的不合理性,使论战进一步升温,并最终导致iFind项目于6月27日被KickStarter叫停,离项目筹资成功仅剩3天时间!而此时,iFind已实现筹资54万多美金,获得了近1万用户的支持。

那么,究竟像iFind这样的产品,利用当前的技术水平是否可以实现呢?关于这个问题,国内的知乎[6]和果壳问答[7]上已经展开了热烈的讨论,甚至WeTag团队的核心成员汪张扬也在参与互动。但是只言片语的信息,总让人不得全貌。

由于笔者所带领的团队这几年一直都在从事可穿戴健康产品的研发设计,虽然没有开发过类似iFind的产品,但对其中涉及的几个关键技术开展过一些工作,应雷锋网(公众号:雷锋网)编辑科技女巫之邀,尝试对iFind的实现技术做一下探讨。也许,从WeTag团队成员来看,本文的分析类似于盲人摸象、门外汉。但笔者整理这些文字的初衷完全是出于对Energy Harvesting技术的个人兴趣和热情,同时也寄希望在科技媒体上,可以看见更多的可行性分析与技术实现分析等干货,而不仅仅是走马灯似的新产品是什么、浮在面上的商业模式……让人越发地追逐浮躁。

 

那么iFind到底实现了哪些功能?

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

从KickStarter的项目介绍来看,iFind主要具备以下几个核心功能:

  • BLE定位:可以根据BLE的RSSI信号强度提示或者BLE连接状态,定位iFind可能的位置信息,实现寻物、防丢失功能;并且具备告警提示音,可以在App的控制/设定下发出声音。
  • 反向寻找手机:摇一摇,iFind内的加速度传感器唤醒中断发送BLE广播消息,触发手机APP主动发出声音,帮助寻找手机。
  • WiFi RF Energy Harvesting:利用某种形式的天线,持续采集iFind附近的Wifi信号能量,并经过整流、稳压后存储到他们所谓的“Power Bank”中,以提供iFind短工作周期运行所需要的足够电量。

至于UHelp等其他功能,完全依赖APP实现,跟iFind设备本身关系不大。

根据测试报告I[4]中的通信模式文字描述,和WeTag团队汪张扬在果壳问答中对网友的答复[7],可以进一步推测iFind的主要工作机制——在APP的设置下,工作在两个模式:Distance Communication和Rope。

  • Distance Communication模式:该模式类似iBeacon,iFind工作在一个极短的工作周期,绝大部分时间都在休眠,被定时器中断唤醒后,发送一个包含信标/设备标识和RSSI信息的短报文,又立刻再进入休眠,以此来降低整个系统的平均功耗。另一种可能的实现方式,是在Distance Communication工作模式下iFind平时不发送数据,每次被唤醒时仅仅是检查手机端有没有在广播,收到特定的广播就发送一次Beacon数据;甚至压根就不发送数据,仅仅根据APP的指令在需要时发出提示音,他们本来就没有Demo自己有寻物雷达图嘛。
  • Rope模式:应该就是BLE的连接保持,只要iFind和手机距离太远时,连接会自动断开,那么手机和iFind自然就会知道,并发出提示音。为了降低连接时功耗,iFind中的BLE连接Supervision Timeout被设置得较长,比如WeTag自己测试数据说的5秒间隔。

上述推测从汪张扬的答复可以基本得到验证,至于说是不是在Distance Communication和Rope两种模式下都支持反向找手机,就不得而知了。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

iFind的尺寸是否可实现?

iFind将所有这些功能实现在一个只有32 x 27 x2.4mm大小的tag中,更为重要的是,由于iFind上有下图所示的过孔,实际可用于工程实现的尺寸应该只有27 x 27 x 2.4mm。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

对于一个像iFind这样的超低功耗无线能量采集装置,其系统组成框图跟下图TI公司白皮书中所描述的系统比较接近。由于受限于可利用尺寸,各个子系统与模块在实现上只能选择高度集成的芯片(比如BLESoC)、极小的封装形式(WLCSP封装,有时候只能采用裸片绑定)、超薄的电路板(0.4mm的PCB,甚至FPC柔性板)。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

从系统关键模块MCU、BLE收发的可行性来看,TI公司自己的参考设计CC2541 Postage Stamp已经可以做到在16.3 x 13mm的PCB板上实现一个BLE完整电路。并且,今年TDK公司采用自己的内藏基板技术(SESUB),实现了一个基于TI公司CC2541F256蓝牙SoC芯片的BLE模块——SESUB-PAN-T2541,这个模块只有4.6 x 5.6 x 1mm的大小,比CC2541芯片本身还小,只要加上PCB天线/陶瓷天线即可工作,极大地减小了BLE方案的布板面积。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

TDK SESUB-PAN-T2541

如果使用WLCSP封装,Nordic公司的nRF51822(3.5 x 3.8 x 0.5 mm)或者Dialog公司的DA14580(2.5 x 2.5 x 0.5 mm),也是可以实现一个高度紧凑的BLE系统,并且功耗更低。

因此,核心系统部分,完全可以在iFind的尺寸下开发出来,并且仅占用1/5左右的工程可利用面积。

剩下的iFind系统整体尺寸的可实现性,受无线能量采集和Power Bank模块的实现大小与厚度所制约,我们将在下文中进一步分析。

iFind的系统功耗是否可实现?

WeTag团队在测试报告I[4]中公布了iFind的工作模式和工作电流,如下图所示。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

我们暂时不管iFind能不能从Wifi采集足够多的电量持续工作,首先考察一下它能否实现所宣称的工作电流。下表是前文中提到的几个BLE SoC芯片功耗:

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

 iFind工作与休眠时的功耗主要跟实现它的BLESoC有关,其次跟3D MEMS加速度传感器,以及作为电池替代的Power Bank本身的漏电流有关。从上面的数据可以看出,对于BLE SoC睡眠时平均电流1μA、工作时平均电流9~36μA,是可行的。只要处理好Duty Cycle——让设备绝大部分时间(100:1以上)都在深度睡眠,优化好程序代码,仅仅极少的工作时间从睡眠中唤醒去快速地完成工作。

当然,iFind睡眠时平均电流不仅仅计算BLE SoC功耗,还应考虑加速度传感器的睡眠功耗。这里有一个小插曲,在iFind介绍视频中出现了一个3D加速度传感器模块,而热心网友发现这个模块是Sparkfun,该模块上的加速度芯片为MMA7361,工作电压1.5V,睡眠模式下要消耗3μA电流,与测试报告I中iFind系统睡眠功耗1μA不符[2]。我个人对这点的理解是:WeTag团队现在实现的工程样机可能拿不出手,比如有手机那么大的面积,屌丝工程师拍视频的时候随便摆弄了一块板子,谁知道KickStarter的网友都是孙悟空……我更愿意相信他们对于实现低功耗的加速度传感器是有把握的。比如,用ADI公司的ADXL345芯片,在睡眠模式下仅消耗0.1μA;在Shake n Find模式工作时,它也只消耗140μA,完全满足他们宣称的工作电流要求。

最后,WeTag的测试报告说iFind告警音工作时消耗3mA的电流;因为只有那么点大的尺寸,推测它采用了一块不大的蜂鸣片,用PWM方式驱动发出声音,工作时刚好满足这个电流要求。只是,iFind没有开口,2.4mm的产品总厚度也不适合设计谐振音腔,声音一定小得可怜,用来找东西……我只能表示“呵呵”!

iFind的无线能量采集效率是否可实现?

对于iFind的无线能量采集与Battery-free工作机制,打一个形象的比喻:家里房间小,停不了大水车(电池),但不能说小得放不下水桶(Power Bank),而1桶水就够我一天的生活了,剩下要解决的问题是——我如何在这一天内再收集1桶水?如果这个问题解决了,我就每天都有水喝了。iFind的要解决的核心问题便在于此,从Wifi信号中收集微弱能量,采集的能量≥消耗的能量!

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

Hackaday对iFind的质疑,主要集中在它没有办法从Wifi信号中持续获取到足够多的能量,认为同类产品SticknFind的平均功耗在30μW,如果iFind工作在类似的机制下,在一个0.5W发射功率路由器的2米外,理论上只获得大概8.6μW的能量,是入不敷出的。

那么我们真实世界的Wifi路由器发射功率到底有多大呢?下图是笔者用一台Android手机在办公室某个无线路由器旁边的实测信号强度。

 类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?
类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

在紧挨着路由器的位置,我们大概能获得-20dBm(10μW)的信号强度;如果距离远一点的话,可能还不到-60dBm(1nW)。总体来说,在我们的生活中,Wifi信号的能量采集潜力是很低的,因为实在太微弱了。

上面的测试仅代表一个参考值,给大家有个切身的感性认识,测试方法和手段都不够严谨,最重要的是手机的天线设计和天线尺寸,仅为了实现通信功能,哪怕信号非常微弱都可以通信,而不是iFind需要的能量采集目的。

美国的一个研究团队在2012年已做过比较严格的测试[8],如下表所示:

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

就此结果可以推测,如果将iFind放在距离路由器10米远的地方,可以从Wifi信号采集能量的平均功率只有11nW,峰值功率也不到6μW!并且该文章所采用的测试天线比iFind的面积要大近20倍。

同时,从TI公布的白皮书中WiFi能量采集的效率来看,更进一步的应证:按照iFind的采集天线有效面积为7.29cm2计算,也仅仅可以实现8nW的平均采集功率。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

但在DropKicker的访谈中[2],McArthur确认iFind在1秒间隔的Rope模式时,工作平均功耗在110μW ,如果想要不消耗Power Bank存储的电量,再考虑40%的RF转DC的效率,就需要275μW(-5.6dBm)的能量采集。此文作者更进一步计算出,将iFind放在一个1W输出功率的路由器旁,要达到这个能量采集要求,距离路由器只有大概50厘米。

更奇怪的是,在测试报告II中[5],WeTag描述,为了发现环境中可利用的零星电磁能量,他们关闭了所有无线设备和路由器,包括带wifi的打印机、笔记本等,还可以获得11.2μW/cm2的无线能量。我本人对于这个数据是不相信的,即便上述数据描述的是峰值功率。因为iFind产品工程可利用面积只有7.29cm2,如果按照前面的数据,iFind可以从没有近距离Wifi信号的环境中转换80μW的能量。既然关闭了无线设备,至少可以假设10米内没有显著的能量发射装置,用公式反推回去,假设环境中的这些零星电磁能量都从一个点集中发出的话,它的发射功率已经是上百瓦了;如果每个源的发射功率不超过1瓦的话,10米外有上百个发射源……并且还要持续发射……你们租的哪儿的写字楼?赶紧搬家吧!

综上所述,要达到WeTag宣称的能量采集效率、大小及厚度,在工程上是可行;但是,想要获得那么大的采集能量,几乎不可行。在真实的使用场景中,这样的Battery-free连续工作,需要距离路由器很近,对于用户来说没有实用价值!我们可以牵强地假设它唯一可用的场景——iFind大多数时候都放在路由器旁边,当我们担心可能要丢失某个东西时,将iFind附着在那个东西上,它能离开这个环境,独立工作18~30天。

iFind的Power Bank到底可以存储多大的能量?

笔者认为像WeTag这样的没有从研究所孵化、面向产品的新创团队,没有实力在短时间内研发出一种新型储电器件或者生产工艺,他们的创新应该更多的集中在对技术本身的综合理解与灵活运用。所以iFind的Power Bank应该是一种已知、且产业化了的产品。

第一次听说iFind的时候,我推断Power Bank可能是某种形式的EDLC电双层电容器(超级电容)或者是固态薄膜/固态微电池。特别是iFind 27 x 27 mm的工程可利用尺寸,可以很方便地装下某个尺寸是25.4 x 25.4 x 0.22 mm的固态薄膜电池。但是这个薄膜电池的电量只有差不多1mAh,而且单价特别贵,跟McArthur的说法不符。

DropKicker的访谈中[2],McArthur确认Power Bank的容量是15.5mAh。Wow!!!汪张扬在果壳问答的帖子[7]中也反复提到他们用的是“电容”。

那么是EDLC么?能薄过2.4mm的EDLC,电容量都很低,一般只有几个μAh的大小。反过来分析,如果Power Bank全部由电容组成的话,15.5mAh=55.8As,即55.8库伦,考虑放电前后电压差有3V的话,Power Bank的电容总共就有18.6F。这么大的电容值,怎么可能塞得进27 x 27 x 2.4 mm的体积之内?

真是百思不得其解!McArthur或者汪张扬,出来走两步,告诉大家你们是怎么玩的?真是太神奇了!

不过,如果是按照我自己的思路来设计的话,我会采用一个薄膜可充电锂电池,iFind的尺寸大概可以放下一块10mAh电量的电池,然后再并联几个EDLC电容,以提供系统需要的瞬间大电流支持。但是这个方案的硬伤是,小到iFind尺寸的薄膜可充电锂电池,可以定制生产的企业不多,新创团队的产品量产规模也很难去对接这种供应链资源。谁跟你在这个时候玩?

iFind的专利申请是否真实可信?

KickStarter网友Sarah提到的12条iFind涉嫌欺诈的事实中,最后一条认为US: 14281043、EU: 14172842.8这两份专利不能在美国专利局查询到,属于虚假宣传。

在Hackaday文章[1]的评论里,美国的一位专利代理人根据申请号14/281,043,推断这个专利应该在5月24日前后一两周的时间提交,公开的时间应该在12月14日之后。在申请公开日之前查询不到,是很正常的。

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

对于知识产权部分,比专利更有意思的现象是:由若干位PhD组成的WeTag核心团队,在近年的研究方向及发表文章方面,居然没有一篇跟无线能量采集系统,或Power Bank、超低功耗电源管理有关,这太不符合筒子楼里住的怪蜀黍们的工作习惯了。从Google Scholar可以搜素出,汪张扬仅发表了几篇图像处理和去噪有关的文章;Wotao Yin很高产,但是都集中在算法和信号处理;而神秘的CTO McArthur,跟他的Linkedin一样,没有查到……

结束语

类似iFind这样的产品真的可实现吗?从技术上来看,目前我们已经达到了一个临界点——各项关联技术、配套的关键器件,以及生产工艺、制造能力,都已经发展到了相当的成熟度,通过Energy Harvesting能量采集的方式给传感器/传感器网络提供可持续的绿色能源已经不再是梦想。国内外也有不少科研院所、研发企业已经实现出很多的原型系统。

可是产品始终还是产品,仅仅具备某个单一技术优势是不能支撑整个产品的。产品的可用性应该体现在产品从设计到研发、生产的全过程。从披露的信息来看,WeTag团队的iFind并没有完整地解决了所有的工程问题。他们对于用户使用场景的考虑及对产品的工程化实现的打磨,都还没有达到可量产的阶段。并且对于Wifi信号无线能量采集的能力过于乐观。

至于诈骗,我是不吝相信这么一个国际化、又由若干个PhD所组成的团队,会为了一时的贪念而在KickStarter这么响当当的平台上玩票!我更愿意相信汪张扬自己对iFind研发状态的描述。可能仅仅是因为他们太着急而没有全部准备好!

类似iFind这样的产品利用当前的技术可否实现?

技术的进步源自于对技术持续演进的自信,而不是偶然在海边拾到一个有珍珠的贝壳,然后撒腿就往村里面跑!以专利为名的信息不公开,其实并没有很好地保护团队和iFind产品,并且十足地伤害了对它寄予厚望的众筹用户。真正有实力的工程师,难道非要从teardown拆解中才能恍然大悟?希望WeTag团队可以用更Open的心态来看待自己的技术和实力。我相信在1年之内,采用iFind类似思路、可用的Energy Harvesting产品一定会真正进入到家庭之中!

 

参考文献:

[1] Mathieu Stephan,Ask Hackaday: Can Battery-Free Bluetooth Item Locating Tags Exist? [EB/OL].Hackaday,http://hackaday.com/2014/05/21/ask-hackaday-can-battery-free-bluetooth-item-locating-tags-exist/

[2] Choof,iFind RF energy harvesting bluetoothbeacon[EB/OL]. DropKicker,http://drop-kicker.com/2014/06/ifind-rf-energy-harvesting-bluetooth-beacon/

[3]Sarah,Comment 7108460:Hints that iFind was a scam[EB/OL].KickStarter,https://www.kickstarter.com/projects/yuansong84/ifind-the-worlds-first-battery-free-item-locating/comments?cursor=7108461#comment-7108460

[4] Technical Brief[EB/OL].KickStarter,https://www.kickstarter.com/projects/yuansong84/ifind-the-worlds-first-battery-free-item-locating/posts/862285

[5] Technical Report II[EB/OL].KickStarter,https://www.kickstarter.com/projects/yuansong84/ifind-the-worlds-first-battery-free-item-locating/posts/879839

[6] 为什么能量采集技术的 iFind 在 Kickstarter 上的集资被中止了?[EB/OL]. 知乎,http://www.zhihu.com/question/24288803

[7] 蓝牙传输如何做到“不用电”?比如蓝牙找物标签“iFind”?[EB/OL]. 果壳问答,http://www.guokr.com/question/559393/

[8] Gudan K, Chemishkian S, Hull J J, et al. Feasibility of wireless sensors using ambient 2.4 GHz RF energy[C]//IEEE Sensors. 2012.

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