根据赛迪智库的最新报告,预计到 2020 年,中国物联网市场规模将达 2 万亿元。在如此庞大的市场需求下,继实现“联”之后的下一步将是“物”的设计,大多数电子系统的设计将由于物联网的趋势而发生极大的改变,主要反映在终端产品的存储、传感器、嵌入式处理器、连接、电源管理等关键通用模块的创新上。IoT 应用的范畴跨度广泛,如何在其中实现创新,作为业内领先的存储芯片提供商,富士通半导体基于 FRAM RFID 能量收集技术的应用方案提供了独到的解决思路。
 
在不久前结束的 2018 第 14 届 RFID 世界应用创新大会上,富士通半导体有限公司系统存储设计开发部 FRAM RFID 高级工程师罗建在演讲中表示,基于 FRAM RFID 能量收集技术的应用方案提供了无源设计的基础,让产品实现自给能源,既十分环保又易于防水等便于加工生产,在医疗、实验室、物流等领域有着广阔的应用前景。
 
图 1:富士通系统存储设计开发部 FRAM RFID 高级工程师罗建
 
业界第一款 UHF 无线无源键盘,富士通 FRAM RFID Inside!
伴随物联网的崛起,RFID 技术已经广泛渗透到零售、物流、交通、医疗等多个领域,成为推动市场增长的一大技术助力。众所周知,物联网的终端产品往往要求小型化,这很大程度上限制了电池的容量。若能实现无源的电子系统,无疑是 IoT 应用的一个重大突破口,RFID 无源电子系统则是解决思路之一,这里说的无源设计即无供电、无电池的电子系统。
 
“事实上,富士通一直致力于产品的无源化,寻求无电池的解决方案。基于业界一流的低功耗 FRAM 技术,富士通已经成功实现了无电池的 RFID 方案。”罗建称。以富士通新推出的 RFID 芯片——MB97R8110 为例,将 RF 无线信号通过电磁转换为电能,在给内部供电之余,还能将多余的电能提供给外部的元器件,为无源电子系统设计创造了基础。据悉,该芯片支持 EPC Global C1G2 Ver.1.2 通信规格,并为外部应用预留了多功能的接口,如 SPI、Key Matrix Scan I/F、GPIO 等。因此设计者可以利用富士通的 RFID 芯片,实现传感器、显示器等电子产品的控制和数据采集。另外,该 RFID 芯片提供的 SPI 串口功能可以直接控制传感器和显示屏从而省去了 MCU,又因无线供电而省掉电池,有效地帮助客户减少 BOM。
 
图 2:富士通创新的 FRAM RFID 芯片,助力打造无线无源电子方案
 
罗建指出:“富士通 RFID 芯片通过无源的方式给外挂元器件供电可以解决环保的问题,同时省去 MCU 和电池。又因为内嵌了 FRAM 存储器,具有先天的存储速度优势,拥有比传统的 EEPROM 快 30 倍的写入速度,功耗低至仅为后者的几百分之一,并且具有防辐射等特性,能够满足产品在严苛环境下使用的可靠性。”
 
目前,富士通基于独创的 RFID 芯片推出了业界首款 UHF 无源无线键盘。由于该 RFID 芯片最大可外接 16*8=128 的 Key Matrix,所以特别适用于医疗场景下的键盘设备。这些医疗设备经常处于射线环境下,因此富士通具有防辐射特性的 FRAM 技术能够保障数据的可靠性。同时,无源键盘不需要外接供电,所以终端产品可以进行一体化的防水防尘设计,并维持十分轻薄的尺寸,帮助客户提高产品的附加价值。据透露,富士通已经与全球领先的大牌厂商开展合作,全力推进专业键盘的量产。
 
 
图 3:在同期 IOTE 2018 展会上,富士通展示业界首款 UHF 无源无线键盘
 
不仅如此,电子纸及电子货架标签也是 RFID 芯片的创新应用之一。当下无人商店的发展非常迅速,物流、工业资产管理等应用也正朝着电子化和无纸化的方向推进。“电子纸的特性是显示的时候不需要电,只须在改写显示数据的瞬间供电。”罗建解释道,“富士通新推出的 RFID 芯片对此完美适配,在传送数据的同时还能为外挂元器件供电,从而实现产品终生不需要电池,同时具有成本低、维护方便等优势。” 
 
扩充蓝牙、GNSS 等产品线, 存储市场的 IoT 大商机
除了基于 FRAM 的 RFID 芯片以外,面向物联网领域,富士通也在积极推进其他产品线的布局,如低功耗蓝牙、LoRa、GNSS 模块等。据介绍,富士通在蓝牙模块的设计上拥有超过二十年的经验,积累了独特的蓝牙天线排列技术,可以在高密度、小型化的设计封装中保持蓝牙信号连接的稳定性与低功耗。搭配自有的高可靠专业打印头与蓝牙模块,富士通推出的高端打印机方案已被政府机构、银行等采用,如驾驶证打印、银行自助终端打印等。同时,正在认证的 LoRa 芯片已搭配第三方传感器,打造湖泊、近海等水质监测的解决方案,成为 IoT 场景下的代表应用之一。
 
图 4:富士通展示应用于移动打印机与各类无线设备的 BLE 模块
 
此外,根据复旦大学管理学院发布的《移动物联网(2017)行业研究报告》,2020 年中国 Mobile IoT 业务总体规模预计达到 1.76 万亿元,其中以 GNSS 技术为支撑的相关业务发展是主力军,预计到 2025 年全球 GNSS 技术支撑的物联网设备将超过 80 亿台。
 
针对 GNSS 这一类应用场景,富士通推出超低功耗、超小型化、高可靠的 GNSS 模块产品——MSB1054,整体尺寸为 5.8 x 6.2 x1.0 mm3,工作温度范围可达 15~80℃。该模块在单片 SiP 封装中以高密度集成了基带 IC、RF 前端、温度补偿晶振(TCXO)以及 Flash 内存,并嵌入 SAW 滤波器与 LNA,因此设计人员不需要复杂的 RF 电路设计即可打造稳定可靠的 GNSS 产品。据富士通工程师介绍,该 GNSS 模块支持卫星定位系统,兼容 GPS、GLONASS、北斗、伽利略等定位导航标准。同时,富士通针对开发者推出了配套的开发板与软件平台,连接 PC 端与外部天线即可进行调试,十分易于上手。
 
图 5:富士通已推出适配 GNSS 模块的软硬件开发套件
 
富士通携手众多大牌,与合作伙伴共建 IoT 生态
如前所述,物联网趋势下的电子系统设计正发生颠覆式的改变,终端产品的存储、传感器、嵌入式处理器、电源管理等通用模块的创新将成为终端产品设计的关键。“所谓合则能成,富士通在自身扩充产品线的同时,也积极地与合作伙伴联手打造完整的解决方案,为加快物联网客户的产品上市时间提供助力。”罗建称。富士通独特的商业模式让其在 IoT 生态打造上更具优势,富士通元器件既有原厂的产品和设计能力,还代理了众多大品牌产品的分销业务,在 IoT 产品设计中的关键通用模块中,富士通代理的品牌线也有相应的产品供客户选择。
 
比如北陆电气工业株式会社 HDK 联手富士通展示了小尺寸、低功耗、高可靠性的电容式温度湿度传感器,仅 2.0 x 2.0 x 0.75mm3 的超小、薄型封装,可以测定 0%~100%RH 的大范围湿度,为物联网场景提供感测技术。
 
除此以外,日本红宝石 Rubycon 公司的超级电容也在富士通展台亮相。由于超级电容具有蓄电时不产生化学反应,可以急速充放电,并且循环寿命长的特点,所以在带太阳能电池或风力发电等独立电源的路灯、道路标识、无线基站等 IOT 场景中可以发挥关键的作用。此外,超级电容还可用于瞬间大电流的机器动力辅助装置和能源回收装置,也可作为充电式机器的主电源使用,从而实现机器的免维修化。
 
罗建表示,“这些器件与富士通的多线产品相辅相成,它们最大的共同点就是能效表现十分出色、功耗很低,这在 IoT 领域至关重要,因此我们有信心在不断扩大的 IoT 市场中抢占先机!”
 
图 6:Rubycon 超级电容为物联网应用提供高效的电源输入输出