迄今為止，智能傳感的普及受到使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的電子系統(tǒng)組件和電路板的成本、重量、尺寸、外形和功耗的阻礙。然而，印刷電子技術(shù)的新進(jìn)展已經(jīng)將嵌入式系統(tǒng)的傳感和數(shù)據(jù)捕獲范圍擴(kuò)展到了我們所知道的范圍之外，同時(shí)還包含了急需的安全功能。再加上智能算法的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)使用小數(shù)據(jù)集使獲取數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和分析更加高效和可操作，嵌入式計(jì)算中物聯(lián)網(wǎng)范式轉(zhuǎn)變的承諾已準(zhǔn)備好實(shí)現(xiàn)。

迄今為止，業(yè)界在利用高度集成、基于 PC 板的嵌入式系統(tǒng)和低功耗技術(shù)來降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本和提高效率方面做得非常出色。現(xiàn)在我們已經(jīng)到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，物聯(lián)網(wǎng)中可操作的智能的下一個(gè)級(jí)別需要將智能傳感輸入從數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)節(jié)點(diǎn)。盡管數(shù)字各不相同，但 IDC 預(yù)測(cè)，到 2020 年，終端的安裝基礎(chǔ)將超過 280 億個(gè)，所有這些都需要保持可接受的成本、效率和安全水平。隨著負(fù)擔(dān)得起的電子智能的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到包括大容量消費(fèi)品，連接對(duì)象的數(shù)量很容易達(dá)到 IBM 預(yù)測(cè)的萬億單位。

隨著預(yù)測(cè)端點(diǎn)數(shù)量的增加，算法開發(fā)人員的壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到尋找過濾收集的數(shù)據(jù)類型和數(shù)量的方法，以減少收集可用信息所需的時(shí)間和處理能力（圖 1）。這導(dǎo)致了對(duì)數(shù)據(jù)流分析的大量研究，例如，它規(guī)定不是傳感器不斷報(bào)告其狀態(tài)并創(chuàng)建要處理和存儲(chǔ)的 TB 數(shù)據(jù)，而是使用算法來設(shè)置預(yù)定的壓力和溫度范圍，以便發(fā)出警報(bào)。僅在超過這些限制時(shí)發(fā)送。因此，可以減少網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)處理以及存儲(chǔ)開銷，從而提高整體效率。

圖 1：新的數(shù)據(jù)源將成倍增加網(wǎng)絡(luò)的智能，但需要新的算法來減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。

這種對(duì)較小數(shù)據(jù)集的關(guān)注，加上傳感節(jié)點(diǎn)滲透新應(yīng)用和市場(chǎng)的機(jī)會(huì)——如標(biāo)簽、一次性醫(yī)療保健、藥品、消費(fèi)品、供應(yīng)鏈和產(chǎn)品安全——為創(chuàng)新制造和傳感技術(shù)創(chuàng)造了動(dòng)力像印刷電子產(chǎn)品。將此類技術(shù)與靈活的低功耗處理解決方案結(jié)合使用可以幫助設(shè)計(jì)人員以低成本為他們的嵌入式系統(tǒng)增加有線和無線智能。

可印刷電子產(chǎn)品的新基礎(chǔ)

印刷電子產(chǎn)品已經(jīng)從早期實(shí)現(xiàn)的基本導(dǎo)電銅或銀跡線的發(fā)展演變而來，這些跡線印刷在傳統(tǒng)電子元件連接到的硬（以及后來的柔性）基板上。現(xiàn)在，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，印刷電子產(chǎn)品包含了各種各樣的功能，從卷對(duì)卷存儲(chǔ)器到可印刷薄膜晶體管 （TFT） 邏輯，甚至是無線通信。

印刷電子產(chǎn)品中最近商業(yè)化的一種核心構(gòu)件是印刷存儲(chǔ)器。印刷存儲(chǔ)器的工作原理是，當(dāng)向鐵電聚合物材料施加電壓時(shí)，聚合物層內(nèi)的偶極子沿兩個(gè)方向之一排列，具體取決于電壓是施加到頂部電極還是底部電極。移除電壓后，材料保持相同的狀態(tài)，可以讀取為 1 或 0，使其相當(dāng)于非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 單元，但成本更低，并且可用于薄、靈活的自不干膠標(biāo)簽。

但是，雖然內(nèi)存有很多應(yīng)用，但印刷系統(tǒng)也需要邏輯。這里至少有兩個(gè)選項(xiàng)。首先，施樂帕洛阿爾托研究中心 （PARC） 和薄膜電子 ASA 的合作產(chǎn)生了可印刷的 TFT 晶體管。其次，已開發(fā)出一種稱為印刷摻雜多晶硅 （PDPS） 的混合印刷制造工藝，以解決射頻和其他需要高性能晶體管的應(yīng)用，我們將對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步探索。

PDPS 工藝支持 NFC 條碼和基于傳感器的 NFC 智能標(biāo)簽產(chǎn)品，可以為使用 NFC 連接到智能手機(jī)的印刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)可印刷的高頻射頻電路。NFC 功能的加入開辟了以智能手機(jī)為中心的新應(yīng)用范圍，其中一些應(yīng)用才剛剛開始形成。

在 Thin Film ASA 的智能標(biāo)簽中，內(nèi)存、邏輯和 NFC 與溫度傳感器和薄型電池相結(jié)合，可在溫度偏差超出出廠設(shè)置限制時(shí)發(fā)出警告。雖然柔性基板使其能夠適應(yīng)曲面，但傳感器可以設(shè)置為低至 -2 °C 和高達(dá) +30 °C 的閾值檢測(cè)。完全獨(dú)立的系統(tǒng)不需要外部電源或接線，底層傳感器平臺(tái)可作為其他未來傳感機(jī)制的基礎(chǔ)，例如計(jì)時(shí)、濕度甚至血氧計(jì)數(shù)。

將可打印內(nèi)存、邏輯和 NFC 與傳感器相結(jié)合，可以開發(fā)可增加系統(tǒng)智能的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、低功耗、一次性的智能傳感節(jié)點(diǎn)。在這種情況下，這樣的系統(tǒng)將一個(gè)簡單的溫度傳感器集成到一個(gè)智能標(biāo)簽中，當(dāng)超出預(yù)定義的限制時(shí)，該標(biāo)簽會(huì)將溫度偏移數(shù)據(jù)從智能手機(jī)無線上傳到云端，從而可以監(jiān)控和跟蹤敏感疫苗和易腐食品。

物聯(lián)網(wǎng)安全有保障

雖然可印刷電子產(chǎn)品能夠深入物聯(lián)網(wǎng)，但設(shè)計(jì)人員需要確保該技術(shù)的安全特性，以便將其引入下一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在印刷記憶的情況下，這種保證來自三個(gè)層次。首先，印刷存儲(chǔ)器中鐵電材料的基本構(gòu)成產(chǎn)生了一種獨(dú)特的特征，這種特征只能來自真正的部件。其次，這種特征簽名只能通過與讀者的身體接觸來閱讀。最后，內(nèi)存本身不可 IP 尋址，從而防止外部入侵。

在 NFC 標(biāo)簽和智能標(biāo)簽的情況下，NFC 標(biāo)簽的短距離可讀性（不能電修改的集成只讀存儲(chǔ)器）以及 NFC 接口也不是 IP 可尋址的事實(shí)提供了安全性。

開發(fā)和連接

與任何新技術(shù)一樣，正確入門至關(guān)重要。必須提供支持以確保快速、輕松的開發(fā)過程，以便在“智能耗材”和品牌保護(hù)應(yīng)用程序中使用印刷存儲(chǔ)器簡化開發(fā)，設(shè)計(jì)人員可以從包含存儲(chǔ)器標(biāo)簽和相應(yīng)存儲(chǔ)器接口 IC（裸芯片）的基本套件開始或封裝形式）讀取和寫入可打印內(nèi)存（圖 4）。代碼支持也可用于與主機(jī)微控制器集成。

圖 4：為了開始開發(fā)，為印刷電子開發(fā)套件提供了一個(gè)存儲(chǔ)器接口 IC，用于通過物理接觸引腳讀取和寫入印刷存儲(chǔ)器。此處顯示的是正在讀取的耗材標(biāo)簽。

對(duì)于基于 NFC 的應(yīng)用，將智能標(biāo)簽或節(jié)點(diǎn)連接到云必須很簡單。此處的支持以 EVRYTHNG Active Digital Identity 平臺(tái)的形式提供。

EVRYTHNG 處理為每個(gè)實(shí)物產(chǎn)品分配唯一的數(shù)字身份。基于云的軟件即服務(wù) （SaaS） 平臺(tái)可以連接和管理所有類型的智能物品，從連接的洗衣機(jī)到基于印刷電子的支持 NFC 的傳感器標(biāo)簽。EVRYTHNG 引擎管理每個(gè)項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)配置文件，并通過唯一可尋址的 API 實(shí)現(xiàn)交互性。這使得產(chǎn)品或設(shè)備始終可訪問、可管理和智能。

印刷電子產(chǎn)品差異化

現(xiàn)在，嵌入式開發(fā)人員可以自由地開發(fā)高度可擴(kuò)展的系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的逐步增加，通過添加具有成本效益的高效技術(shù)來更好地服務(wù)于他們的最終客戶。

審核編輯：郭婷