IoT边缘模块的制作方法

iot边缘模块
技术领域
1.本发明涉及物联网边缘模块，例如涉及在智能农业系统中使用的iot边缘模块应用的技术。物联网是iot。


背景技术：

2.下面列出了所公开的技术。
3.[专利文献1]日本未审查专利申请公开no.2019-208340
[0004]
例如，专利文献1公开了一种与连接到发电装置的微型计算机的启动操作相关的技术。


技术实现要素：

[0005]
近年来，利用iot技术的智能农业系统备受关注。
[0006]
例如，在智能农业系统中，具有诸如温度传感器或湿度传感器或土壤水分传感器等内置传感器的iot边缘模块将安装在各种土壤上。从传感器输出的数据通过使用内置在iot边缘模块中的无线通信模块而传输到与iot边缘模块联网的数据中心。数据中心基于所接收的输出数据来了解其中安装有iot边缘模块的土壤的环境条件，计算最适合土壤的作物生长条件。所计算的最佳作物生长条件然后经由网络从数据中心传输到农民的平板电脑终端。
[0007]
这使农民能够在最适合土壤的生长条件下种植作物。以这种方式，智能农业系统可以高效地种植作物。因此，智能农业系统有望成为下一代农业技术。
[0008]
这里最重要的是维护用于操作iot边缘模块的电源。例如，可以想象使用电池作为iot边缘模块的电源，但是当电池中存储的电量减少时，需要更换电池，这增加了维护该电池所需要的成本。即，期望免维护电源作为用于操作iot边缘模块的电源。
[0009]
在这点上，还可以想到使用环境发电装置，例如太阳能发电装置或振荡发电装置。然而，在这些发电装置中，难以全年稳定地向iot边缘模块供电。例如，在太阳能发电装置中，难以稳定地提供电力，例如在夜间或雨天无法发电。
[0010]
因此，例如，作为用于操作iot边缘模块的电源，已经考虑采用利用地表上的大气的温度与土壤温度之间的温差来发电的温差发电模块。然而，需要设计温差发电模块以确保iot边缘模块全年稳定地操作。
[0011]
一个实施例中的iot边缘模块包括被配置为控制从温差发电模块到无线通信模块和传感器的电力供应的微型计算机。这里，微型计算机包括形成在sotb(薄埋氧化硅)衬底上的晶体管。然后，微型计算机被配置为基于温差发电模块的发电状态确定对无线通信模块和传感器的供电操作。
[0012]
在一个实施例中，iot边缘模块还包括被配置为控制从温差发电模块到无线通信模块和传感器的电力输送的微型计算机。iot边缘模块是可以在iot边缘模块的位置处呈现作物的生长条件的智能农业系统的组件。这里，微型计算机包括形成在sotb衬底上的晶体
管。微型计算机还被配置为基于温差发电模块的发电状态确定对无线通信模块和传感器的供电操作。
附图说明
[0013]
图1是示出智能农业系统的示例性配置的图；
[0014]
图2是示出根据实施例的温差发电模块的示例性配置的截面图；
[0015]
图3是示出第一修改示例中的温差发电模块的示例性配置的截面图；
[0016]
图4是示出第二修改示例中的温差发电模块的示例性配置的截面图；
[0017]
图5是示出第三修改示例中的温差发电模块的示例性配置的截面图；
[0018]
图6是示出具有多个温差发电元件以及导热材料和绝热材料的导热箱的示例性布置的平面图；
[0019]
图7是示出构成温差发电元件的塞贝克元件的示例性配置的示意图；
[0020]
图8是示出iot边缘模块的配置的框图；
[0021]
图9a是示出初始充电时段电源电路的操作的图；
[0022]
图9b是用于说明电源电路对微型计算机的启动操作的图；
[0023]
图10a是用于说明二次电池的充电时段电源电路的操作的图；
[0024]
图10b是示出对蓄电电容器的充电操作的图；
[0025]
图11是用于说明由二次电池进行的电力供应的图；
[0026]
图12是示出形成在sotb衬底中的场效应晶体管的图；
[0027]
图13是示出微型计算机的功能配置的功能图；
[0028]
图14是示出微型计算机的示例性操作的流程图；
[0029]
图15是用于说明微型计算机的另一示例性操作的流程图；
[0030]
图16是在温度数据获取电路中获取的一年中每半月的示例性温度数据的图形表示；
[0031]
图17是给定日子每小时的温度数据的图形表示；
[0032]
图18是温差与发电量之间的关系的图形表示；
[0033]
图19是全年的日发电量的图形表示；
[0034]
图20是示出数据中心和微型计算机的配置的功能框图；
[0035]
图21是示出数据中心和微型计算机的操作的流程图；
[0036]
图22是示出数据中心和微型计算机的配置的功能框图；
[0037]
图23是示出数据中心和微型计算机的操作的流程图；
[0038]
图24是示出温差发电模块和iot边缘模块的图；
[0039]
图25是示出温差发电模块和iot边缘模块的图；
[0040]
图26是温差发电模块的组件中的温度变化的图形表示；
[0041]
图27是图26的部分区域的放大图；
[0042]
图28是示出温差发电模块和iot边缘模块的图；以及
[0043]
图29是示出温差发电模块的发电量的时间变化和温差的图形表示。
具体实施方式
[0044]
在用于说明实施例的所有附图中，相同构件原则上由相同附图标记表示，并且省略重复说明。注意，为了清楚起见，甚至可能对平面图进行阴影处理。
[0045]
《智能农业系统》
[0046]
尽管本实施例将智能农业系统示出为使用无线传感器网络的示例性系统，但是本实施例的技术原理可以用于使用无线传感器网络的各种系统中，而不限于智能农业系统。
[0047]
图1是示出智能农业系统的示例性配置的图。
[0048]
如图1所示，智能农业系统包括iot边缘模块100、温差发电模块200、网关250、网络300、数据中心400和平板终端500。
[0049]
在图1中，iot边缘模块100被配置为包括一个或多个传感器、用于传输来自传感器的输出数据的无线通信模块、以及用于控制传感器的操作和无线通信模块的操作的微型计算机。传感器包括温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器、ph传感器和热导率测量传感器中的任何一个或多个。iot边缘模块100被电连接到向iot边缘模块100供电的温差发电模块200。
[0050]
温差发电模块200用作向iot边缘模块100供电的电源。特别地，温差发电模块200被配置为利用地表附近的大气的温度与土壤温度的温差发电。例如，温差发电模块200由塞贝克元件构成。由该温差发电模块200生成的电力被提供给iot边缘模块100，iot边缘模块100电连接到温差发电模块200。因此，iot边缘模块100可以通过从温差发电模块200提供的电力来操作。
[0051]
如上所述配置的iot边缘模块100和温差发电模块200安装在例如农田中。结果，可以通过合并在iot边缘模块100中的传感器来获取有关农田的环境条件的信息。
[0052]
多个iot边缘模块100和温差发电模块200可以安装在农田里。在智能农业系统中，可以根据农田的大小分配更多农田，以获取农田的环境条件的更详细数据。
[0053]
接下来，来自iot边缘模块100中包括的传感器的输出数据通过iot边缘模块100中包括的无线通信模块被传输到数据中心400。来自传感器的输出数据经由网关250和网络300被传输到数据中心400。
[0054]
数据中心400被配置为收集从iot边缘模块100的传感器输出的输出数据。数据中心400被配置为基于从iot边缘模块100的传感器收集的输出数据来掌握其中安装有iot边缘模块的农田的环境条件，并且基于所掌握的环境条件计算最适合农田的作物生长条件。此后，由数据中心400计算的作物的最佳生长条件通过网络300和网关250从数据中心400传输到农民拥有的平板终端500。
[0055]
结果，农民可以在平板终端500上显示的生长条件下种植作物，并且从而在最适合农田的生长条件下种植作物。
[0056]
以这种方式，智能农业系统可以在不依赖农民经验的情况下实现作物的高效生长。根据智能农业系统，即使是没有经验的农民也可以高效地种植作物，因此智能农业系统有望成为下一代农业技术。
[0057]
在iot边缘模块100中实现电源免维护操作是重要的。即，如果由温差发电模块200生成的电力能够覆盖iot边缘模块100消耗的电力，则iot边缘模块可以以半永久方式操作，而无需在iot边缘模块100中执行电源维护(例如，更换一次电池，清洁光伏板等)。在这种情
况下，不需要执行电源维护。这降低了智能农业系统的维护成本。
[0058]
应当注意，当安装多个iot边缘模块100时，电源维护所需要的时间也会延长。因此，通过实现免维护供电，可以进一步降低智能农业系统的维护成本。
[0059]
本实施例设计了用于在iot边缘模块100中实现免维护供电的措施。
[0060]
更具体地，本实施例的技术思想包括(1)用于增加温差发电模块200中的发电量的第一点，(2)用于实现作为iot边缘模块100的组件的微型计算机的低功耗的第二点，以及(3)用于通过微型计算机为传感器和无线通信模块供应电力的第三点。下文中，将描述具有这些要点的技术思想。
[0061]
《温差发电模块的配置》
[0062]
图2是示出本实施例的温差发电模块的示例性配置的截面图。
[0063]
在图2中，温差发电模块200具有桩状导热材料201和导热率低于导热材料201的涂层材料202。这里，导热材料201的侧面覆盖有涂层材料202。导热材料201的远端部分201a未被涂层材料202覆盖并且被暴露。然后，导热材料203被设置为接触导热材料201的上表面。温差发电元件204设置在导热材料203上。此外，导热材料205被设置为与温差发电元件204的上表面接触。以这种方式，就构成了温差发电模块200。
[0064]
桩状导热材料201埋入地下。并且，导热材料201的远端部分201a被配置为具有与土壤温度基本相同的温度。然后，在本实施例的温差发电模块200中，导热材料201的侧面被用作绝热材料的涂层材料202覆盖。因此，桩状导热材料201的上表面附近的温度与导热材料201的远端部分201a的温度基本相同。这表示，与桩状导热材料201接触的导热材料203的温度与土壤温度大致相同。这表示，与导热材料203接触的温差发电元件204的底面的温度与土壤温度大致相同。
[0065]
另一方面，导热材料205被布置为与地面上的大气接触。因此，导热材料205的温度通常与地表上的大气的温度相同。然后，由于温差发电元件204的上表面与导热材料205接触，因此温差发电元件204的上表面的温度通常与地表上的大气的温度相同。因此，温差发电元件204的底表面与土壤温度大致相同，而温差发电元件204的上表面与地表上的大气的温度大致相同。即，在温差发电元件204的两侧，会产生与该温差相对应的地表上的大气的温度和土壤温度。因此，根据本实施例的温差发电模块200，可以在温差发电元件204的两侧产生较大温差。因此，温差发电元件204，例如，因为由塞贝克元件组成，可以增加温差变大的电力发电量，根据本实施例的温差发电模块200的配置，可以增加发电量。
[0066]
《第一思想》
[0067]
本实施例的第一思想是温差发电模块200被构造如图2所示。即，如图2所示，第一思想是桩状导热材料201的远端部分201a埋入地下，并且导热材料201的侧面覆盖有用作绝热材料的涂层材料202。根据该第一思想，能够使温差发电元件204的底表面的温度与其中埋入有远端部分201a的土壤的温度基本相同。另一方面，由于温差发电元件204的上表面的温度与地表上的大气的温度基本相同，所以在温差发电元件204的两个表面之间可以生成较大温差。因此，根据第一思想，可以增加发电量。
[0068]
《第一修改示例》
[0069]
图3是示出根据本第一修改示例的温差发电模块的示例性配置的截面图。
[0070]
图3所示的温差发电模块200a的配置与图2所示的温差发电模块200的结构基本相
同。图3所示的温差发电模块200a与图2所示的温差发电模块200的区别在于，图3所示的温差发电模块200a设置有气囊206。即，虽然假定图2所示的温差发电模块200埋入地下，但本发明不限于此，并且也可以像图3所示的温差发电模块200a那样通过设置气囊206而设置在水面上。
[0071]
根据温差发电模块200a，由于可以将水中的温度与水面的温度之间的温差提供给温差发电元件204，因此可以通过温差发电元件204来发电。
[0072]
代替气囊206，可以提供翅片结构。这种配置中的温差发电模块用作嵌入土壤中的温差发电模块，而不是放置在水面上的温差发电模块。例如，在图2所示的温差发电模块200中，导热材料205的温度，由于受导热材料203的温度的影响，在温差发电元件204的两侧之间生成的温差存在减少的趋势。
[0073]
在这点上，将翅片结构安装在导热材料205上可以增加与大气接触面积较大的翅片结构对导热材料205的影响，以使导热材料205的温度更接近大气的温度。因此，根据安装有翅片结构的温差发电模块，可以增大在温差发电元件204的两个表面之间生成的温差。换言之，能够将翅片结构附接到导热材料205，以使导热材料205的温度接近大气的温度。这样可以增大温差发电元件204两侧的温差，从而提高发电效率。
[0074]
《第二修改示例》
[0075]
例如，图2所示的温差发电模块200中使用的温差发电元件204由塞贝克元件构成。该塞贝克元素具有极性。温差发电元件204由塞贝克元件构成。温差发电元件204的上表面温度与大气的温度基本相同。温差发电元件204的底表面的温度与土壤温度基本相同。即，例如，在图2中，温差发电元件204被配置为当上表面的温度高于底表面的温度时能够发电。反之，如果上表面温度低于底表面的温度，则不能发电。准确地说，即使上表面的温度低于底表面的温度，也会发电，但所生成的电力的极性是相对极性。因此，设置在电路中的防回流二极管无法接收所生成的电流。因此，所生成的电力不能用作使能。
[0076]
因此，从增加发电量的观点来看，在温差发电模块200中，期望所生成的电力被配置为不仅在上表面的温度高于底表面的温度时可用而且在上表面的温度低于底面的温度时可用。
[0077]
因此，说明了使得所生成的电力不仅在上表面的温度高于底表面的温度时可用而且在上表面的温度低于底表面的温度时可用的可以使用的温差发电模块的配置。
[0078]
图4是示出根据本第二修改示例的温差发电模块的示例性配置的截面图。
[0079]
在图4中，温差发电模块200b例如包括由塞贝克元件构成的温差发电元件204a和由塞贝克元件构成的温差发电元件204b。此时，温差发电元件204a和温差发电元件204b的极性彼此相对。换言之，温差发电元件204a被配置为当与导热材料205a接触的上表面的温度高于与导热材料203接触的底表面的温度时发电。另一方面，温差发电元件204b被配置为当与导热材料205b接触的上表面的温度低于与导热材料203接触的底表面的温度时发电。
[0080]
因此，根据温差发电模块200b，当地表上的大气的温度高于土壤温度时，温差发电元件204a有助于发电。相对，当地表上的大气的温度低于土壤温度时，温差发电元件204b有助于发电。因此，根据温差发电模块200b，因为不仅在地表上的大气的温度高于土壤温度时进行发电而且在地表上的大气的温度低于地面的温度时进行发电，所以可以高效地发电。
[0081]
《第三修改示例》
[0082]
图5是示出根据本第三修改示例的温差发电模块的示例性配置的截面图。
[0083]
在图5中，温差发电模块200c被配置为附接到壁600。特别地，温差发电模块200c包括导热箱210。在该导热箱210内是传感器无线电系统211。此外，在导热箱210外侧，多个温差发电元件212被设置为接触导热箱210。传感器无线电系统211和多个温差发电元件212中的每个通过电源线213连接。此外，在壁600与导热箱210之间插入有绝热材料215。
[0084]
导热材料214被连接到多个温差发电元件212中的每个温差发电元件。该导热材料214插入壁600的内部。然后，导热材料214的除了插入壁600的内部的部分之外的部分被覆盖有绝热材料215。
[0085]
图6是示出导热箱210、多个温差发电元件212、导热材料214和绝热材料215的示例性布置的平面图。如图6所示，导热箱210设置有四个温差发电元件212。由此可见，绝热材料215被设置以覆盖导热材料214的外围。
[0086]
根据以这种方式配置的温差发电模块200c，由于壁600内侧的温度与导热材料214的温度基本相同，因此与壁600内侧的温度与导热箱210的温度之间的差异相对应的温差被施加到多个温差发电元件212中的每个温差发电元件。因此，在多个温差发电元件212中，由于上述温差而发电。
[0087]
本第三修改示例中的温差发电模块200c不仅可以用于例如使用无线传感器网络的智能农业系统，还可以用于使用无线传感器网络的桥梁隧道老化监测系统。特别地，它可以用作监测桥梁或隧道内壁老化的传感器的电源。即，温差发电模块200c在传感器系统中具有广泛的应用，因为即使在不插入光并且难以通过太阳能发电的位置也可以发电。例如，在使用太阳能发电时，需要将阳光照射到安装有太阳能发电装置的地方。但是，根据安装位置，有时会出现光线无法到达并且因此无法使用太阳能发电的地方。通过在该第三修改示例中安装温差发电模块200c，即使在没有插入光的位置也可以发电，并且可以操作传感器。
[0088]
《温差发电元件的配置》
[0089]
图7是示出构成温差发电元件的塞贝克元件的示例性配置的示意图。
[0090]
在图7中，构成温差发电元件204的塞贝克元件具有其中n型半导体220a和p型半导体220b通过电极230和电极240交替连接的结构。当连接到电极230的电极231冷却到低温，而连接到电极240的电极241被加热到高温时，在塞贝克元件中生成电动势。即，当在电极231与电极241之间施加温差时，塞贝克元件生成电动势。因此，包括塞贝克元件的温差发电元件可以生成取决于温差的电力。
[0091]
《iot边缘模块的配置》
[0092]
接下来，将描述iot边缘模块的配置。
[0093]
图8是示出iot边缘模块的配置的框图。
[0094]
在图8中，iot边缘模块100具有控制器110、蓄电电容器120、二次电池130、开关141、开关142、传感器150和无线通信模块160。
[0095]
控制器110包括电源电路111和微型计算机112。控制器110例如由一个芯片构成，并且电源电路111和微型计算机112集成在构成控制器110的一个芯片中。电源电路111电连接到温差发电模块200，并且被配置为控制温差发电模块200的供电。电源电路111还电连接到蓄电电容器120和二次电池130。电源电路111被配置为控制对蓄电电容器120的充电和放电，以及控制对二次电池的充电和放电。另外，电源电路111还被配置为基于蓄电电容器120
和二次电池130的充电状态控制对微型计算机的供电。
[0096]
随后，微型计算机112被配置为控制连接到无线通信模块160的开关142和连接到传感器150的开关141的接通或断开。特别地，微型计算机112被配置为通过控制开关141的接通或断开来控制对传感器150的供电或断电。并且，微型计算机112被配置为通过控制开关142的接通或断开来控制对无线通信模块160的供电或断电。
[0097]
微型计算机112输入来自传感器150的数据并且将数据存储在微型计算机112中。微型计算机112还被配置为控制从无线通信模块160向数据中心400的信息发送。
[0098]
这里，控制器110不限于单芯片配置，并且可以具有其中形成在不同芯片上的电源电路111和微型计算机112被封装在一个封装中的sip(系统封装)配置。此外，电源电路111和微型计算机112可以由单独的封装结构构成。
[0099]
iot边缘模块100如上所述进行配置。
[0100]
《电源电路的操作》
[0101]
接下来，将描述作为iot边缘模块100的组件的电源电路111的操作。图9a是示出初始充电时段电源电路的操作的图。如图9a所示，电源电路111控制设置在其中的开关sw1至sw5的接通或断开，以将由温差发电模块200生成的电力存储在蓄电电容器120中。例如，如图9a所示，电源电路111接通开关sw1和开关sw3，并且断开开关sw2、开关sw4和开关sw5。结果，来自温差发电模块200的电流经由接通的开关sw1和开关sw3流入蓄电电容器120。这开始对蓄电电容器120充电。然后，当蓄电电容器120被充分充电时，电源电路111执行微型计算机112的激活控制。
[0102]
图9b是用于说明电源电路对微型计算机的启动操作的图。例如，在图9b中，当蓄电电容器120的电压超过2.6v时，电源电路111接通开关sw5。结果，开关sw1、开关sw3和开关sw5接通，而开关sw2和开关sw4断开。因此，随着来自温差发电模块200的电流流入蓄电电容器120，经由开关sw5从蓄电电容器120向微型计算机112和外围模块113供电。结果，微型计算机112启动。微型计算机112开始执行程序并且允许对二次电池130充电。此时，激活微型计算机112所需要的电力非常低。
[0103]
当微型计算机112允许对二次电池130充电时，电源电路111执行控制以将由温差发电模块200生成的电力存储在二次电池130中。
[0104]
顺便提及，外围模块113包括传感器150、无线通信模块160、开关141和开关142等。
[0105]
图10a是用于说明二次电池的充电时段电源电路的操作的图。在图10a中，电源电路111控制设置在其中的开关sw1至sw5的接通或断开，以将由温差发电模块200生成的电力存储在二次电池130中。例如，如图10a所示，电源电路111接通开关sw1、开关sw2和开关sw5，并且断开开关sw3和开关sw4。结果，来自温差发电模块200的电流经由接通的开关sw1和开关sw2流入二次电池130。因此，开始对二次电池130充电。此外，来自蓄电电容器120的电流经由开关sw5流入微型计算机112和外围模块113。为此，微型计算机112和外围模块113使用蓄电电容器120的所存储的电力继续操作。此后，继续微型计算机112和外围模块113的操作，当存储在蓄电电容器120中的电力减小时，电源电路111停止对二次电池130充电，开始对蓄电电容器120充电。
[0106]
图10b是示出对蓄电电容器的充电操作的图。在图10b中，当存储在蓄电电容器120中的电力减少时，电源电路111控制设置在其中的开关sw1至sw5的接通或断开，从而中断二
次电池130的充电并且开始蓄电电容器120的充电。例如，如图10b所示，电源电路111接通开关sw1、开关sw3和开关sw5，并且断开开关sw2和开关sw4。结果，来自温差发电模块200的电流经由接通的开关sw1和开关sw3流入蓄电电容器120，并且蓄电电容器120开始充电。来自温差发电模块200的电流也经由开关sw1、开关sw3和开关sw5流入微型计算机112和外围模块113。为此，微型计算机112和外围模块113使用从温差发电模块200提供的电力继续操作。
[0107]
然后，当蓄电电容器120被充分充电时，该过程再次进行到图10a所示的操作，对二次电池130执行充电。以这种方式，交替重复对二次电池130的充电操作和对蓄电电容器120的充电操作。
[0108]
此后，如图11所示，当二次电池130被充分充电时，电源电路111接通开关sw4和开关sw5，并且从二次电池130和蓄电电容器120向微型计算机112和外围模块113提供电力。
[0109]
《第二思想》
[0110]
本实施例旨在降低由作为iot边缘模块100的组件的微型计算机112消耗的电力。该装置是本实施例中的第二思想。特别地，本实施例中的第二思想是，微型计算机112包括形成在sotb衬底上的场效应晶体管。因此，根据本实施例中的微型计算机112，可以实现微型计算机112的低功耗。
[0111]
图12是示出形成在sotb衬底中的场效应晶体管的图。
[0112]
在图12中，sotb衬底1000由衬底sub、掩埋绝缘层box和硅层sl组成。此时，掩埋绝缘层box的厚度减小到15nm左右。在以这种方式配置的sotb衬底1000上，形成有n沟道型场效应晶体管qn和p沟道型场效应晶体管qp。然后，例如，从电连接到用于nmos的背偏压控制电路1100的衬底sub侧、通过薄的掩埋绝缘层box向n沟道型场效应晶体管qn施加背偏压。类似地，从电连接到用于pmos的背偏压控制电路1200的衬底sub侧、通过薄的掩埋绝缘层box向p沟道型场效应晶体管qp施加背偏压。
[0113]
根据包括形成在sotb衬底1000中的场效应晶体管的微型计算机112，将描述可以实现微型计算机112的省电的原因。
[0114]
场效应晶体管具有栅电极、源极区和漏极区，并且通过向栅电极施加等于或高于阈值电压的栅电压在源极区与漏极区之间的沟道区中形成反型层、反型沟道。然后，通过在源极区与漏极区之间提供电位差，电流可以通过沟道在源极区与漏极区之间通过。另一方面，当向栅电极施加低于阈值电压的电压时，形成在沟道区上的反型层消失。这切断了在源极区与漏极区之间流动的电流。因此，在场效应晶体管中，通过控制施加到栅电极的栅极电压，可以控制源极区与漏极区之间的接通或非接通。即，场效应晶体管可以被称为以栅电极作为控制电极的开关器件。
[0115]
这里，场效应晶体管通常涉及通过将导电型杂质引入沟道区来调节阈值电压。然而，难以准确控制引入沟道区的导电型杂质的杂质浓度，并且会出现浓度变化。因此，发生浓度变化表示阈值电压发生变化。因此，考虑到阈值电压变化，施加到栅电极的栅极电压必须设置为较高值。因此，操作场效应晶体管所消耗的电力增加。在这点上，本实施例采用所谓的无掺杂沟道结构，假定场效应晶体管形成在soi(绝缘体上硅)衬底上，该无掺杂沟道结构不会将导电类型的杂质引入夹在源极区与漏极区之间的沟道区中。在这种情况下，由于没有将导电类型的杂质引入沟道区，结果减少了浓度变化(例如，大约1/3)，因为不需要将要施加到栅电极的栅极电压设置为具有较高余量，可以降低操作场效应晶体管的功耗。即，
可以降低包括场效应晶体管的微型计算机112的功耗。
[0116]
然而，与无掺杂结构场效应晶体管相关联的副作用是当场效应晶体管截止时截止泄漏电流增加。在这种情况下，即使采用无掺杂沟道结构，由于截止泄漏电流增加，因此难以充分降低功耗。
[0117]
因此，在本实施例中，假定场效应晶体管形成在soi衬底上，soi衬底的掩埋绝缘层更薄，并且从场效应晶体管下方的衬底通过薄的掩埋绝缘层向沟道区施加背偏压。在这种情况下，例如，由于掩埋绝缘层的厚度薄至约15nm，因此通过从衬底侧施加背偏压，可以减少流过沟道区的截止泄漏电流。
[0118]
因此，在本实施例中，通过对作为微型计算机112的组件的场效应晶体管采用无掺杂沟道结构并且通过在具有减薄的掩埋绝缘层的sotb衬底的soi衬底上形成场效应晶体管来降低微型计算机112的功耗。这一点是本实施例中的第二思想，通过该第二思想可以实现微型计算机112的低功耗。
[0119]
例如，根据由形成在sotb衬底上的场效应晶体管构成的微型计算机112，可以在接通时间在32mhz实现35μa/mhz，并且可以将截止时间的截止漏电流抑制到500na或更少。
[0120]
《第三思想》
[0121]
接下来，将描述本实施例的第三思想。
[0122]
本实施例中的第三思想是用于通过微型计算机向传感器和无线通信模块供电的操作的装置。特别地，第三思想是通过控制微型计算机来降低iot边缘模块的功耗，从而最小化为传感器和无线通信模块供电所花费的功耗。
[0123]
《基本概念》
[0124]
第三思想的基本原理是构建微型计算机以基于温差发电模块的发电状态来确定对无线通信模块和传感器的供电操作的原理。例如，该基本原理以基于温差发电模块中发电量最少的日期的发电量而设置的第一时间间隔来实现对无线通信模块的供电操作。并且，这也可以通过配置微型计算机以基于温差发电模块的发电量最少的日子的发电量而设置的第二时间间隔对传感器执行供电操作来实现。根据这个基本原理，即使在温差发电模块的发电量最少的日子，也可以供应由iot边缘模块消耗的电力。这表示，iot边缘模块可以半永久性操作，而无需在iot边缘模块中执行电源维护。由于不需要维护电源，因此可以降低例如使用iot边缘模块的智能农业系统的维护成本。
[0125]
作为基本思想的发展，当iot边缘模块包括诸如二次电池等蓄电装置时，可以设想如下配置微型计算机。微型计算机被配置为不仅考虑温差发电模块的发电状态而且考虑蓄电装置的蓄电状态来确定对无线通信模块和传感器的供电操作。即，基本思想可以发展为包括微型计算机的原理，使得能够基于温差发电模块的发电状态和蓄电装置的蓄电状态的组合来确定对无线通信模块和传感器的供电操作。
[0126]
在下文中，将描述其中体现该基本思想的示例。
[0127]
《微型计算机功能配置》
[0128]
图13是示出微型计算机的功能配置的功能图。
[0129]
微型计算机112具有温度数据获取电路170、发电量计算电路171、最小发电日期指定电路172、时间间隔计算电路173和电源控制器174。
[0130]
温度数据获取电路170被配置为获取地表和地面、土壤中每年的每小时温度数据。
温度数据获取电路170被配置为例如经由网络300从图1所示的数据中心400获取温度数据。由温度数据获取电路170获取的温度数据是从数据中心400预先提供的。然而，如果传感器150包含温度传感器，则温度数据获取电路170获取温度数据，可以是传感器中包括的温度传感器150。另外，待安装的农田的温度数据可以通过使用电池等的其他测量装置预先获取。
[0131]
温度数据优选地是其中安装有iot边缘模块的农田的温度数据。然而，温度数据不限于此，还可以使用例如具有相似气候状况的当地温度数据。
[0132]
现在将描述用于从数据中心400获取温度数据的配置的优点。
[0133]
例如，在iot边缘模块安装在农田的第一年期间，即使iot边缘模块中包括的传感器150包含温度传感器，也不能使用该温度传感器来获取全年的每小时温度数据。换言之，如果iot边缘模块至少一年没有操作，则iot边缘模块本身就无法获取温度年的每单位时间的温度数据。
[0134]
另一方面，如果从数据中心400获取温度数据，则即使iot边缘模块本身一年或更长时间未操作，也可以获取全年每单位小时的温度数据。这表示，可以实现全年从在农田上安装iot边缘模块开始基于每单位小时温度数据的分析过程。即，从数据中心400获取温度数据的配置的优点包括可以实现全年从在农田上安装iot边缘模块开始基于每单位时间温度数据的分析过程。
[0135]
另一方面，认为从数据中心400传输的温度数据不是反映其中安装有iot边缘模块的农田的天气状况的局部温度数据，而是广域温度数据，包括在很多情况下是农田。从数据中心400获取的温度数据可能无法准确反映其中安装有iot边缘模块的农田的环境条件。在这点上，由iot边缘模块本身中包括的温度传感器获取的温度数据准确反映农田的环境要求。因此，作为用于获取由iot边缘模块中包括的温度传感器获取的温度数据的配置的优点，可以实现基于温度数据的分析过程，该温度数据准确地反映其中安装有iot边缘模块的农田的环境条件。
[0136]
由上可知，例如，优选地采用其中从数据中心400传输的温度数据在iot边缘模块安装在农田中之后的第一年使用的配置，并且优选地采用其中由安装在iot边缘模块本身上的温度传感器获取的温度数据在iot边缘模块本身操作一年或更长时间之后使用的配置。
[0137]
发电量计算电路171被配置为基于在温度数据获取电路170中获取的温度数据计算全年温差发电模块200的日发电量。
[0138]
最小发电日期指定电路172被配置为基于在发电量计算电路171中计算的发电量来标识发电量最少的日期。
[0139]
时间间隔计算电路173被配置为基于在最小发电日期指定电路172中指定的日期的发电量计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔和用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。
[0140]
其中第一时间间隔可以长于第二时间间隔。通常认为用于操作无线通信模块160的电力大于用于操作传感器150的电力。即，iot边缘模块100的功耗可以通过将具有较大电力的无线通信模块160的操作间隔(即，第一时间间隔)设置为长于具有较小电力的传感器150的操作间隔(即，第二时间间隔)来减小。从传感器150输出的数据以预定量存储在微型
计算机112的存储器中，并且然后从无线通信模块160以集中方式传输。
[0141]
然而，第一时间间隔不限于长于第二时间间隔，并且例如，第一时间间隔和第二时间间隔可以基本相同。来自传感器150的输出数据从无线通信模块160实时传输。
[0142]
时间间隔计算电路173基于预先编程的算法来计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔和用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。此外，时间间隔计算单元173可以被配置为使用人工智能来计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔和用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。
[0143]
电源控制器174被配置为以由时间间隔计算电路173计算的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作，并且以由时间间隔计算电路173计算的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。
[0144]
《微型计算机操作的示例》
[0145]
本实施例中的微型计算机112如上所述配置，并且下面将描述微型计算机112的示例性操作。
[0146]
图14是示出微型计算机的示例性操作的流程图。
[0147]
参考图14，首先，微型计算机112的温度数据获取电路170使用无线通信模块160每年每单位时间(例如，1小时)通过网络300从数据中心400获取温度数据(在步骤s101中)。温度数据应当是安装有iot边缘模块的位置的年度温度数据，但可以使用预测温度来使用安装有iot边缘模块的位置的年度趋势。不需要测量温度数据。
[0148]
在温度数据获取电路170中获取的温度数据包括地表上的大气的温度的温度数据和土壤温度的温度数据。
[0149]
温度数据优选地是安装有iot边缘模块的站点的温度数据。然而，本发明不限于此，并且可以替换为与待安装土地相同环境的温度数据。另外，温度数据的单位时间不限于每小时，并且只要有温差，单位时间可以是每天或每月。
[0150]
微型计算机112的发电量计算电路171然后基于在温度数据获取电路170中获取的温度数据计算全年的日发电量(在步骤s102中)。
[0151]
此后，微型计算机112的最小发电日期指定电路172基于在发电量计算电路171中计算的发电量来标识发电量最少的日期(在步骤s103中)。
[0152]
随后，在步骤s104中，微型计算机112的时间间隔计算电路173基于在最小发电日期指定电路172中标识的日期的发电量来计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔。此外，在步骤s105中，时间间隔计算电路173计算用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。
[0153]
这里，操作无线通信模块160所消耗的电力和操作传感器150所消耗的电力不得超过发电量最少的日子的发电量。在计算时间间隔时，考虑一次消耗的电力和操作次数来计算作为第一时间间隔的传输间隔和作为第二时间间隔的操作间隔。
[0154]
在步骤s106中，微型计算机112的电源控制器174以由时间间隔计算电路173计算的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作，并且以由时间间隔计算电路173计算的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。以这种方式，根据本实施例的iot边缘模块100，即使在温差发电模块200中的发电量最少的日子也能够供应由iot边缘模块100消耗的电力。这表示，iot边缘模块100可以半永久性地操作，而无需在iot边缘模块100中执行电源
维护。由于不需要维护电源，例如使用iot边缘模块100的智能农业系统的维护成本可以减少。
[0155]
《其他微型计算机操作的示例》
[0156]
接下来，将描述微型计算机112的另一示例性操作。
[0157]
图15是用于说明微型计算机的另一示例性操作的流程图。
[0158]
参考图15，首先，在步骤s201中，微型计算机112的温度数据获取电路170使用无线通信模块160每年每单位时间(例如，1小时)通过网络300从数据中心400获取温度数据。此外，在步骤s202中，微型计算机112的温度数据获取电路170还从数据中心400获取全年的每半月温度数据。此时，由温度数据获取电路170获取的温度数据包括与地表上的大气的温度相关的温度数据和与土壤温度相关的温度数据。
[0159]
然后，微型计算机112的发电量计算电路171被配置为基于地表上的大气和地面中的每一项的每年每月温度数据来提取多个日子。具体地，在步骤s203中，发电量计算电路171提取大气的温度与土壤温度之间的温差较小的地表上的若干日子。此后，在步骤s204中，发电量计算电路171基于地表上的大气和地面中的每一项的每年每小时温度数据来计算所提取的多个日子中的每个日子的温差发电模块200的日发电量。
[0160]
此后，在步骤s205中，微型计算机112的最小发电日期指定电路172基于在发电量计算电路171中计算的发电量来标识发电量最少的日期。
[0161]
随后，在步骤s206中，微型计算机112的时间间隔计算电路173基于在最小发电日期指定电路172中标识的日期的发电量来计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔。此外，在步骤s207中，时间间隔计算电路173计算用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。
[0162]
接着，在步骤s208中，微型计算机112的电源控制器174以由时间间隔计算电路173计算的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作，并且以由时间间隔计算电路173计算的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。在其他情况下，不仅可以全年每个小时(例如，1小时)获取温度数据，还可以全年每半个月获取温度数据。在全年中，每半个月启用温度数据以降低发电量计算电路171的吞吐量。具体地，在该操作的另一示例中，发电量计算电路171预先基于全年每半月一次的温度数据提取地表上的大气的温度与土壤温度之间的差异较小的若干日子。注意，为了标识发电量最少的日子，不需要计算全年所有天的发电量，并且通过基于地表上的大气的温度与土壤温度之间的差异较小的日子提取多个日子并且仅计算所提取的多个日子的发电量，可以很容易地标识发电量最少的日子。因此，根据其他操作示例，可以在降低微型计算机112中的吞吐量的同时指定发电量最少的日子。
[0163]
《示例》
[0164]
在下文中，将基于具体示例来描述微型计算机112的操作。
[0165]
《示例的先决条件》
[0166]
图16是示出由温度数据获取电路170获取的一年中每半月的示例性温度数据的图。在图16中，横轴指示月份，纵轴指示温度。黑色圆圈指示地表上的大气的温度，白色圆圈指示土壤温度。在地表上的大气的温度与土壤温度之间的温差较大的情况下，温差发电模块200生成较大发电量。例如，在图16所示的区域a或区域b中，由于地表上的大气的温度与土壤温度之间的温差很小，因此预计与这些区域a和区域b相对应的月份的发电量减少。因
此，发电量最少的日子很可能被包括在区域a或区域b中。为此，例如，在图16中，仅与区域a或区域b相对应的多个日子被提取，并且只计算所提取的日子的发电量，从而可以高效地标识发电量最少的日子。
[0167]
顺便说一下，如图16所示，例如，从4月到9月，地表上的大气的温度高于土壤温度，而从10月到3月，地表上的大气的温度低于土壤温度。因此，考虑到包括塞贝克元件的温差发电模块200具有极性，例如在具有一个温差发电元件塞贝克元件204的温差发电模块200中，如图2所示，难以全年发电。即，如果温差发电元件204被配置为在地表上的大气的温度高于土壤温度时发电，则其可以基于图16在4月至9月发电。另一方面，由图可知，温差发电模块200无法在10月至3月发电。因此，基于图16所示的温度数据，图2所示的只有一个温差发电元件204的温差发电模块200难以全年发电。
[0168]
另一方面，例如，图4所示的温差发电模块200b包括极性彼此不同的温差发电元件204a和温差发电元件204b。即，图4所示的温差发电模块200b具有被配置为在地表上的大气的温度高于土壤温度时发电的温差发电元件204a和被配置为在地表上的大气的温度低于土壤温度时发电的温差发电元件204b。因此，根据图4所示的温差发电模块200b，不仅可以在地表上的大气的温度高于土壤温度的4月到9月发电，而且可以在地表上的大气的温度低于土壤温度的10月到3月发电。即，即使示出图16所示的温度变化，图4所示的温差发电模块200b也可以全年发电。因此，在这里描述的实施例中，假定采用图4所示的温差发电模块200b。
[0169]
《具体示例的操作》
[0170]
首先，微型计算机112的温度数据获取电路170例如获取如图16所示的全年的每月温度数据和全年的每小时温度数据(未示出)。然后，针对土壤温度和地表上的大气的温度中的每一项的温度数据中的每个，微型计算机112的发电量计算电路171例如基于每年每半月温度数据(参见图16)提取区域a和区域b所示的地表温度和地表上的大气的温度之间的温差较小的多个日子。发电量计算电路171然后基于地表上的大气和地面中的每一项的每年每小时温度数据针对所提取的多个日子中的每个日子计算温差发电模块200的日发电量。
[0171]
例如，图17示出了所提取的多个日子中包括的预定日子的每单位时间的温度数据。在图17中，黑色圆圈指示地表上的大气的温度，白色圆圈指示土壤温度。基于图17，计算预定日子的发电量。具体地，发电量计算电路171根据图17所示的预定日期的每单位时间的温度数据计算每单位时间的地面的大气的温度与土壤温度之间的温差。发电量计算电路171基于所计算的温差计算预定日子的发电量。具体地，基于图18所示的温差(℃)与发电量(mw)之间的关系，发电量计算电路171计算每一天的温差发电模块200b。
[0172]
图18所示的温差与发电量的关系由作为温差发电模块200b的组件的温差发电元件、塞贝克元件的特性预先确定。
[0173]
图19是在发电量计算电路171中计算的全年的日发电量的图形表示。这里，在图19中，示出了全年的日发电量。这是概念性的，并且在本具体示例中，仅计算与所提取的区域a或区域b相对应的发电量。
[0174]
微型计算机112的最小发电日期指定电路172然后例如基于图19标识发电量最少的日期。此后，微型计算机112的时间间隔计算电路173基于在最小发电日期指定电路172中
标识的日期的发电量计算用于无线通信模块160的稳定操作的第一时间间隔。此外，时间间隔计算电路173计算用于传感器150的稳定操作的第二时间间隔。这里，在本具体示例中，为了简单起见，第一时间间隔被示出为计算。在本实施例中，例如，如图19所示，假定发电量最少的日子的发电量为每天“20j”，并且操作无线通信模块160所消耗的电力在该发电量的50％以内。这里，“j”是指焦耳。操作无线通信模块160所消耗的电力为每天“10j”。换言之，无线通信模块160每天的参考发电量为“10j”。然后，如果一个传输电力设置为“15mj”，则每天传输的次数为“666次”，并且传输间隔(第一时间间隔)被计算为“130秒”。因此，在本实施例中，微型计算机112的电源控制器174将以“130秒”的传输间隔控制向无线通信模块160供电的操作。
[0175]
另外，传输次数不限于此，并且例如可以是10至15分钟的1次左右。在这种情况下，每天的传输次数少于上述次数，可以降低传输电力。这允许传感器150获取更多数据，以确保以降低电力向传感器150供电。
[0176]
以这种方式，即使在温差发电模块200b的发电量最少的日子，也可以覆盖由无线通信模块160消耗的电力。因此，无线通信模块160可以稳定操作。
[0177]
在本实施例中，全年以小时为单位将温度数据从数据传感器400下载到iot边缘模块，并且由微型计算机112执行分析处理。例如，当iot边缘模块的数量为巨大时，如果所有iot边缘模块中的分析过程都由数据中心400执行，则数据中心400的负担就会变大。在这点上，由于本实施例在多个iot边缘模块中的每个中以分布式方式执行分析处理，因此可以有利地减轻数据中心400的负担。特别地，当所安装的iot边缘模块的数目变得巨大时，本实施例的配置启用。
[0178]
《第四修改示例》
[0179]
在上述实施例中，作为iot边缘模块100的组件的微型计算机112以基于温差发电模块200的最低日发电量的发电量而设置的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作。并且，微型计算机112以基于温差发电模块200的最低日发电量而设置的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。在这种情况下，因为微型计算机112的吞吐量增加，所以微型计算机112消耗的电力增加。这表示，合并有微型计算机112的iot边缘模块100消耗大量电力。
[0180]
因此，从降低iot边缘模块100消耗的电力的观点设计本第四修改示例。具体地，在本第四修改示例中，上述处理大部分在数据中心400中执行。下文中，将描述本第四修改示例。
[0181]
图20是示出本第四修改示例的数据中心和微型计算机的配置的功能图。在图20中，数据中心400具有温度数据获取电路170、发电量计算电路171、最小发电日期指定电路172、时间间隔计算电路173和时间间隔输出电路175。因此，数据中心400基于温差发电模块200的发电量最少的日期的发电量计算第一时间间隔和第二时间间隔。所计算的第一时间间隔和第二时间间隔然后从数据中心400输出到微型计算机112。
[0182]
另一方面，在图20中，微型计算机112包括时间间隔输入电路176和电源控制器174。以这种方式，微型计算机112可以输入与从数据中心400输出的第一时间间隔和第二时间间隔相关的数据。并且，微型计算机112可以以所输入的第一时间间隔控制对无线通信模块160的供电操作，并且以所输入的第二时间间隔控制对传感器150的供电操作。
[0183]
图21是示出本第四修改示例的数据中心和微型计算机的操作的流程图。如图21所示，在步骤s301中，在数据中心400中，温度数据获取电路170获取全年的每小时温度数据。
[0184]
然后在步骤s302中，发电量计算电路171基于全年的每小时温度数据计算全年的日发电量。此后，在步骤s303中，最小发电日期指定电路172基于全年的日发电量来标识发电量最少的日期。然后在步骤s304中，时间间隔计算电路173基于发电量最少的日子的发电量计算第一时间间隔和第二时间间隔。在s305中，时间间隔输出电路175经由网络300向内置在iot边缘模块100中的微型计算机112传输所计算的第一时间间隔和第二时间间隔。
[0185]
接着，在s306中，如图21所示，在微型计算机112中，时间间隔输入电路176输入与从数据中心400传输的第一时间间隔和第二时间间隔数据相关的数据。此后，在步骤s307中，电源控制器174以从数据中心400接收的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作，并且以从数据中心400接收的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。
[0186]
以这种方式，在该第四修改示例中，通过使用数据中心400，在通过降低微型计算机112的吞吐量来降低功耗的同时，基于温差发电模块200的发电状态，无线通信模块160和传感器150，可以实现供电操作思想。
[0187]
《第五修改示例》
[0188]
上述实施例中的技术原理是基于预先提供的温度数据来确定对无线通信模块160和传感器150的供电操作的原理。根据该技术思想，在iot边缘模块100中，即使不直接掌握iot边缘模块100所连接的温差发电模块200的发电状态，也可以根据预先提供的温度数据来掌握温差发电模块200的发电状态。
[0189]
然而，根据该技术思想，如果从数据中心400预先提供的温度数据不能准确反映实际安装有iot边缘模块100的地面的温度，则可能无法准确掌握温差发电模块200的发电状态。在这种情况下，可能无法正确确定对无线通信模块160和传感器150的供电操作。
[0190]
在这点上，该第五修改示例描述了通过直接掌握向iot边缘模块100供电的温差发电模块200的发电状态来确定对无线通信模块160和传感器150的供电操作的技术原理，而不需要使用从数据中心400预先提供的温度数据。
[0191]
图22是示出本第五修改示例的数据中心和微型计算机的配置的功能图。首先，将描述微型计算机112的功能配置。
[0192]
在图22中，微型计算机112包括电压监测电路180、电压输出电路181、时间间隔输入电路176和电源控制器174。
[0193]
电压监测电路180例如被配置为监测图8所示的蓄电电容器120的电压值。为了简单起见，本第五修改示例假定仅存在蓄电电容器120作为iot边缘模块100中包括的蓄电装置。在这种情况下，从温差发电模块200提供的电力仅存储在蓄电电容器120中。因此，通过监测蓄电电容器120的电压值，相信可以掌握温差发电模块200的发电量。
[0194]
电压输出电路181被配置为能够向数据中心400传输与由电压监测电路180监测的蓄电电容器120的电压值相关的数据。
[0195]
然后，微型计算机112包括时间间隔输入电路176和电源控制器174。因此，微型计算机112被配置为输入与从数据中心400输出的第一时间间隔和第二时间间隔相关的数据，以所输入的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作，并且以所输入的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。
[0196]
接下来，将描述数据中心400的功能配置。
[0197]
数据中心400包括电压输入电路190、估计发电量计算电路191、最小发电日期指定电路172、时间间隔计算电路173和时间间隔输出电路175。
[0198]
电压输入电路190被配置为接收与从微型计算机112的电压输出电路181传输的蓄电电容器120的电压值相关的数据。
[0199]
估计发电量计算电路191被配置为基于电压输入电路190接收到的与蓄电电容器120的电压值相关的数据来估计温差发电模块200的发电量。即，因为温差发电模块200生成的电力累积在蓄电电容器120中。例如，可以根据蓄电电容器120的电压变化来估计温差发电模块200的发电量。例如，估计发电量计算电路191可以被配置为使用预先编程的算法来估计发电量，或者被配置为使用人工智能来估计发电量。
[0200]
为了简单起见，该第五修改示例假定其中仅存在蓄电电容器120作为被包括在iot边缘模块100中的蓄电装置的配置。然而，本第五修改示例的技术原理不限于对此，并且可以应用于不仅将蓄电电容器120而且将二次电池130包括到iot边缘模块100的配置。在这种情况下，估计发电量计算电路191基于蓄电电容器120的电压变化和二次电池130的电压变化的组合来估计温差发电模块200的发电量。
[0201]
然后，数据中心400具有最小发电日期指定电路172、时间间隔计算电路173和时间间隔输出电路175。这使得数据中心400可以基于温差发电模块200的发电量最少的日子的发电量计算第一时间间隔和第二时间间隔。之后，从数据中心400向微型计算机112输出所计算的第一时间间隔和第二时间间隔信息。
[0202]
图23是用于说明本第五修改示例中的数据中心和微型计算机的操作的流程图。如图23所示，在步骤s401中，在微型计算机112的电压监测电路180中，监测蓄电电容器120的电压值。接着，在步骤s402中，微型计算机112的电压输出电路181向数据中心400传输与蓄电电容器120的所监测的电压值相关的数据。这里，要传输的数据不限于与电压值相关的数据，也可以是蓄电电容器120的电压值。
[0203]
接着，在步骤s403中，数据中心400的电压输入电路190接收从微型计算机112的电压输出电路181传输的与蓄电电容器120的电压值相关的数据。接着，在步骤s404中，估计发电量计算电路191基于电压输入电路190接收的与蓄电电容器120的电压值相关的数据计算温差发电模块200全年的估计日发电量。此后在步骤s405中，最小发电日期指定电路172基于在估计发电量计算电路191中计算的估计发电量来标识发电量最少的日期。然后在步骤s406中，时间间隔计算电路173基于发电量最少的日子的发电量计算第一时间间隔和第二时间间隔。在步骤s407中，时间间隔输出电路175向iot边缘模块100的微型计算机112输出所计算的第一时间间隔和第二时间间隔。
[0204]
随后，在步骤s408中，微型计算机112的时间间隔输入电路176接收从数据中心400传输的与第一时间间隔和第二时间间隔相关的数据。此后，微型计算机112的电源控制器174基于从数据中心400接收的第一时间间隔执行对无线通信模块160的供电操作。并且，在步骤s409中，电源控制器174基于从数据中心400接收的第二时间间隔执行对传感器150的供电操作。
[0205]
以这种方式，无需使用从数据中心400预先提供的温度数据，直接基于蓄电电容器120的电压值来掌握温差发电模块200的发电状态，就可以确定对无线通信模块160和传感
器150的供电操作。
[0206]
顺便提及，在该第五修改示例中，基于蓄电电容器120的电压值直接掌握温差发电模块200的发电状态。在这点上，例如，而不是蓄电电容器120的电压值，还可以基于在传感器150中包括的温度传感器处测量的温度数据来掌握温差发电模块200的发电状态。
[0207]
然而，温差发电模块200的发电状态必须基于温度数据进行计算。因此，根据本第五修改示例，在减少微型计算机112所需要的操作的同时，可以直接掌握温差发电模块200的发电状态，可以说这是有用的技术原理。
[0208]
《第六修改示例》
[0209]
图24是示出温差发电模块和iot边缘模块的图。
[0210]
在图24中，温差发电模块200d包括埋入而刺入地下的导热材料201、覆盖导热材料201的涂层材料202、从涂层材料202暴露的远端部分201a、以及与导热材料201接触的板状导热材料203。板状导热材料也称为板件。温差发电模块200d包括设置在板状导热材料203上的温差发电元件204a和温差发电元件204b。温差发电模块200d还包括与温差发电元件204a接触的翅片结构270a和与温差发电元件204b接触的翅片结构270b。在此，温差发电元件204a和温差发电元件204b以极性相对的方式配置。
[0211]
如此配置的温差发电模块200d具有表面积较大的翅片结构270。由于翅片结构270与大气的接触面积增加，因此通过提供翅片结构270使其与温差发电元件204直接接触，在翅片结构270上可以高效地吸收地表温度的热量，温差发电元件204的温度可以高效地传送。结果，根据温差发电模块200d，能够维持较大温差，因此能够高效地进行发电。由于温差发电模块200d具有极性相对的温差发电元件204a和温差发电元件204b，因此不仅在地表上的大气的温度高于土壤温度时而且在地表上的大气的温度低于土壤温度时可以高效地进行发电。
[0212]
接着，电源电路111a包括电连接到温差发电元件204a的升压电路800a和连接到升压电路800a的输出的防回流二极管700a。类似地，电源电路111a包括电连接到温差发电元件204b的升压电路800b和连接到升压电路800b的输出的防回流二极管700b。此时，升压电路800a和升压电路800b中的每个例如可以由变压器和dc-dc转换器的组合构成。
[0213]
这里，例如，温差发电元件是翅片结构与板状导热材料之间的温差极性，电动势的极性也反转。因此，假定使用一个温差发电元件而不是使用极性反转的两个温差发电元件，如图24所示，并且防回流二极管连接到两个升压电路的相应输出，可以想到如下配置，即，其中相对极性的两个升压电路(变压器)与该一个温差发电元件并联连接。即，例如，当翅片结构与板状导热材料203之间的温差为正温差时，在使用两个升压电路中的一个升压电路的输出的同时，当翅片结构与板状导热材料203之间的温差为负温差的情况下，可以考虑配置为使用两个升压电路中的另一升压电路的输出。
[0214]
即使在这种配置中，只要在翅片结构与板状导热材料之间存在温差，就可以继续发电，而不管温差的极性如何。根据这种配置，与图24所示的温差发电模块200d不同，由于仅使用一个温差发电元件，因此能够获取容易使尺寸较大的温差发电模块小型化的优点。
[0215]
然而，在这种配置中，与一个温差发电元件反向连接的两个升压电路被连接。因此，即使在对两个升压电路的发电没有贡献的升压电路中也执行升压操作，结果是产生电力损失。在这点上，如果发电量较弱，诸如温差发电，则如上所述的电力损失可能是致命的
缺点。即，在这种配置的温差发电模块中，可能难以确保iot边缘模块稳定的自主操作。
[0216]
另一方面，在图24所示的结构中，设置有极性相对的温差发电元件204a和温差发电元件204b。并且，一个升压电路800a和一个防回流二极管700a连接到温差发电元件204a。并且，一个升压电路800b和一个防回流二极管700b连接到温差发电元件204b。在这种情况下，相应温差发电元件204，因为只连接一个而不是两个升压电路800，所以电力损失被最小化。这表示，图24所示的配置对于其中发电量较弱的温度发电是有用的。因此，例如，通过采用图24所示的结构并且采用微型计算机112，包括形成在sotb衬底上的场效应晶体管，具有极好的低功耗操作，可以通过温差发电促进iot边缘模块的自主操作。
[0217]
然而，在图24所示的配置中，由于设置有温差发电元件204a和温差发电元件204b，所以增加了温差发电模块200d的尺寸。但是，由于设置站点是诸如农田等具有任何安装面积的站点，因此温差发电模块200d的大型化不会成为问题。更重要的是，温差发电模块的发电效率更高。在这点上，在图24所示的配置中，通过使用翅片结构270来确保温差和通过仅将一个升压电路800连接到一个温差发电元件204来减少电力损失的协同效应，可以提高发电效率。由此可以看出，图24所示的配置在能够促进iot边缘模块的自主操作方面是有益的。
[0218]
《第七修改示例》
[0219]
地表上的大气的温度与土壤温度的温差对温差发电的最大挑战是当大气温度快速变化时，翅片结构270与板状导热材料203、203e之间的温差变小，发电变得困难。在该第七修改示例中，通过想出这个问题的对策来提高温差发电的发电效率。
[0220]
图25是温差发电模块和iot边缘模块的图。
[0221]
在图25中，该第七修改示例的温差发电模块包括温差发电模块200d和温差发电模块200e。在此，作为温差发电模块200d的组件的导热材料201和作为温差发电模块200e的组件的导热材料201e的导热率或热容量不同。
[0222]
例如，导热材料201的导热率小于导热材料201e的导热率。具体地，导热材料201由导热率较小的铝al制成。另一方面，导热材料201e由导热率较高的cu制成。
[0223]
在这种情况下，导热率较大的导热材料201e比导热率较小的导热材料201更接近土壤温度。换言之，与导热率较高的导热材料201e相比，导热率较低的导热材料201更接近地表上的大气的温度。导热材料201的温度和导热材料201e的温度彼此不同。
[0224]
图26是温差发电模块的组件中的温度变化的图形表示。
[0225]
纵轴表示温度。另一方面，横轴表示时间。
[0226]
在图26中，曲线图“l1”是示出翅片结构(270、270e)的温度变化的曲线图，曲线图“l2”是示出板状导热材料203的温度变化的曲线图。曲线图“l3”是示出板状导热材料203e的温度变化的曲线图，曲线图“l4”是示出土壤温度变化的曲线图。如图26所示，在本第七修改示例中，由于导热材料201和导热材料201e由具有不同导热率的材料制成，板状导热材料203的温度变化和板状导热材料203e的温度变化不同。
[0227]
图27是图26所示的区域2000的放大图。
[0228]
在图27中，曲线图“l1a”是示出翅片结构(270、270e)的温度 2℃的温度变化的曲线图，和曲线图“l1b”是示出翅片结构(270、270e)的温度-2℃的温度变化的曲线图。
[0229]
在本第七修改示例中，由于板状导热材料203的热导率较小，所以板状导热材料
203的温度被拉到翅片结构270的温度。相对而言，因为导热材料201e的热导率较高，导热材料201e的温度被拉到土壤的温度。结果，如图27所示，与导热材料201接触的板状导热材料203的温度变化“l2”不同于与导热材料201e接触的板状导热材料203e的温度变化“l3”。
[0230]
在此，在图27中，时段p1表示大气温度急剧变化的“非发电时段”，并且由于温差发电模块200d的温差变得极小，因此发电是不可能的。时段p2表示大气温度急剧变化的“非发电时段”，并且结果，温差发电模块200e的温差变得极小，因此不能发电。
[0231]
重要的是，在该第七修改示例中，温度变化“l2”与温度变化“l3”不同，因此温差发电模块200d中的非发电时段p1和温差发电模块200e中的非发电时段p2在时间上偏移。
[0232]
因此，例如，在温差发电模块200d的非发电时段p1，可以由温差发电模块200e发电。另一方面，在温差发电模块200e的非发电时段p2，可以由温差发电模块200d发电。即，根据本第七修改示例，能够抑制由于非发电时段p1和非发电时段p2的偏移而导致温差发电模块200d和温差发电模块200e两者都不能发电的情况。换言之，在本第七修改示例中，当大气温度急剧变化时，翅片结构270与板状导热材料(203、203e)之间的温差变得非常小，并且温差发电模块200d和温差发电模块200e中的一个被设置为能够发电。
[0233]
如上所述，该第七修改示例的基本思想是使非发电时段p1和非发电时段p2在时间上偏移，并且为了实现该基本思想，导热材料201的热导率和导热材料201e的导热率彼此不同。结果，可以使温差发电模块200d的温度特性和温差发电模块200e的温度特性彼此不同，从而使非发电时段(p1)和非发电时段(p2)可以在时间上相互偏移。因此，根据该第七修改示例，能够提高发电效率。
[0234]
《第八修改示例》
[0235]
《基本概念》
[0236]
温差发电元件夹在翅片结构与板状导热材料之间，并且被配置为基于翅片结构的温度与板状部的温度之间的温差来发电。这里，温差越大，温差发电元件的发电量越大。因此，希望在翅片结构与板状导热材料之间保持温差。但是，按照自然规律，翅片结构与板状导热材料之间的温差通过温差发电元件转移到其中翅片结构的温度与板状导热材料的温度相等的热平衡状态。例如，如果翅片结构的温度高于板状导热材料的温度，热量最终会通过将热量通过温差发电元件从温度较高的翅片结构传递到温度较低的板状导热材料而达到热平衡。在热平衡状态下，翅片结构与板状导热材料之间没有温差。因此，难以利用温差发电元件发电。因此，作为温差发电元件，期望具有尽可能小的导热性。低导热性表示热量不易传递。在这种情况下，当翅片结构与板状导热材料之间存在温差时，可以延长翅片结构的温度通过温差发电元件与板状导热材料的温度相等的弛豫时间。换言之，通过降低温差发电元件的热导率，通过增加达到热平衡的弛豫时间，可以将温差发电元件在发电开始时的发电潜力维持在更高水平。
[0237]
因此，我们首先讨论温差发电元件的热传导机制。
[0238]
温差发电元件由具有晶体结构的半导体材料构成。因此，温差发电元件的热传导主要可以分为晶格振荡(声子)热传导和电荷载流子(电子或空穴)热传导。在这点上，本发明人着眼于这样一个事实，即，虽然声子的热传导难以控制，但可以控制电荷载流子的热传导。即，该第八修改示例的基本原理是通过控制电荷载流子的热传导来减少温差发电元件的热传导的原理。
[0239]
具体地，本发明人已经注意到，非通电状态的热导率比通电状态的热导率降低。换言之，当通电时，大量电荷载流子在温差发电元件中流动。由于这表示大量电荷载流子负责热量，因此温差发电元件的热导率随着电荷载流子的热传导效果增加而增加。换言之，这表示即使关闭温差能量，即使关断防回流二极管，dc-dc转换器和变压器的负载组件的焦耳热也会浪费电力。
[0240]
另一方面，在断电状态下，几乎没有电荷载流子在温差发电元件中流动。这表示，在断电状态下，少数电荷载流子充当热量的载体。因此，通过减少电荷载流子的热传导效应，可以降低温差发电元件的热导率。以这种方式，温差发电元件在断电状态下的热导率小于温差发电元件在通电状态下的热导率。使用这种机制的思想是这个第八修改示例的基本思想。在下文中，将描述体现基本思想的具体实施例。
[0241]
《具体地》
[0242]
图28是示出温差发电模块和iot边缘模块的图。
[0243]
在图28中，该第八修改示例的温差发电模块包括温差发电模块200d-1和温差发电模块200d-2。温差发电模块200d-1和温差发电模块200d-2由同类型的温差发电模块构成。温差发电模块200d-1具有极性相对的温差发电元件204a和温差发电元件204b。类似地，温差发电模块200d-2具有极性相对的温差发电元件204c和温差发电元件204d。
[0244]
如图28所示，温差发电元件204a连接到用于在通电和非通电之间切换的开关sw10。温差发电元件204b连接到用于在通电和非通电之间切换的开关sw11。类似地，温差发电元件204c连接到用于切换通电和非通电的开关sw12。温差发电元件204d连接到用于在通电和非通电之间切换的开关sw13。
[0245]
开关sw10至开关sw13中的每个连接到微型计算机112的开关控制器112a。并且，开关控制器112a控制开关sw10至开关sw13中的每个的接通或断开。例如，开关控制器112a被配置为基于温差发电模块200d-1的发电状态和温差发电模块200d-2的发电状态控制开关sw10至开关sw13中的每个的接通或断开。开关控制器112a可以被配置为基于温差发电模块200d-1中的翅片结构与板状导热材料之间的温差和温差发电模块200d-2中的翅片结构与板状导热材料之间的温差来控制开关sw10至开关sw13中的每个的接通或断开。
[0246]
图29是温差发电模块200d-1的发电量和温差分别随时间变化和温差发电模块200d-2的发电量和温差分别随时间变化的图形表示。此外，图29示出了开关sw10至sw13的接通或断开状态。纵轴是发电量或温差。横轴是时间。
[0247]
在图29中，曲线图“g1”是示出温差发电模块200d-1的发电量的时间变化的曲线图。曲线图“g2”是示出温差发电模块200d-2的发电量的时间变化的曲线图。此外，曲线图“g3”是示出温差发电模块200d-1中的翅片结构与板状导热材料之间的温差随时间变化的曲线图。曲线图“g4”是示出温差发电模块200d-2中的翅片结构与板状导热材料之间的温差随时间变化的曲线图。
[0248]
首先，微型计算机112的开关控制器112接通开关sw10和开关sw11，并且断开开关sw12和开关sw13。结果，在温差发电模块200d-1中开始发电，而在温差发电模块200d-2中停止发电。
[0249]
为简单起见，我们假定翅片结构的温度高于板状导热材料的温度。此时，在发电的温差发电模块200d-1中，电流流过温差发电元件204b，使得作为热载体的带电载流子的数
目增加，并且温差发电元件204b的热导率增加。因此，通过温差发电元件204b从翅片结构传递到板状导热材料的热量增加，并且随着时间的推移，翅片结构与板状导热材料之间的温差减小。这减少了温差发电模块200d-1的发电量。另一方面，在停止发电的温差发电模块200d-2中，由于电流不流过温差发电元件204d，所以作为热载体的带电载流子的数目减少，并且温差发电元件204d的热导率降低。从而减少了经由温差发电元件204b从翅片结构传递到板状导热材料的热量，从而保证了翅片结构与板状导热材料之间的温差。
[0250]
当发电状态或监测温差的微型计算机112检测到温差发电模块200d-1发电时温差变小并且发电量接近于零时，微型计算机112的开关控制器112a断开开关sw10和开关sw11并且接通开关sw12和开关sw13。结果，到目前为止进行发电的温差发电模块200d-1的发电停止。另一方面，启动之前停止的温差发电模块200d-2的发电。在此，在迄今为止停止发电的温差发电模块200d-2中，由于确保了翅片结构与板状导热材料之间的温差，因此能够获取大的发电量。另一方面，在已经发电的温差发电模块200d-1中，翅片结构与板状导热材料之间的温差较小，但通过断开开关sw10和开关sw11并且停止发电，作为热载流子的电荷载流子减少，并且温差发电元件204d的热导率降低。结果，翅片结构与板状导热材料之间的温差逐渐恢复。通过重复这样的操作，根据包括温差发电模块200d-1和温差发电模块200d-2的组合的温差发电模块，可以提高发电效率。
[0251]
因此，该第八修改示例中的基本原理体现在这样的配置中，其中在iot边缘模块中提供开关以强制停止两个温差发电模块中的一个的发电。在这种配置中，例如，微型计算机检测发电时温差发电模块的翅片结构与板状导热材料之间的温差何时变小而不能发电，并且互补地切换开关。这保证了之前停止发电的另一温差发电模块可以恢复发电，因为保证了翅片结构与板状导热材料之间的温差。因此，根据该第八修改示例，能够提高温差发电模块的发电效率。
[0252]
另外，如果准备两个相同类型的温差发电模块，可以配置第八修改示例，温差发电模块，就不需要如第七修改示例所述准备两种不同导热材料。因此，根据本第八修改示例，能够获取使构件的采购、发电特性的数据确认等的工作减半的优点。
[0253]
以上，基于实施例详细说明了本发明人的发明，但本发明不限于上述实施例，当然，在不脱离其主旨的范围的情况下能够进行各种修改。
[0254]
实施例包括以下模式。
[0255]
(补充说明1)
[0256]
一种iot边缘模块，包括：微型计算机，被配置为控制从温差发电模块到无线通信模块和传感器的电力供应，
[0257]
其中所述微型计算机包括形成在sotb衬底中的晶体管，
[0258]
其中所述微型计算机被配置为基于所述温差发电模块的发电状态确定对所述无线通信模块和所述传感器的供电操作。
[0259]
(补充说明2)
[0260]
根据补充说明1所述的iot边缘模块，
[0261]
其中所述iot边缘模块包括置于所述温差发电模块与所述微型计算机之间的电源电路。
[0262]
(补充说明3)
[0263]
根据补充说明2所述的iot边缘模块，
[0264]
其中所述温差发电模块包括：
[0265]
导热材料；
[0266]
涂层材料，导热率低于所述导热材料并且覆盖所述导热材料；
[0267]
所述导热材料的远端，从所述涂层材料暴露；
[0268]
板状导热材料，接触所述导热材料，
[0269]
第一温差发电元件，设置在所述板状导热材料上；
[0270]
第二温差发电元件，设置在所述板状导热材料上，所述第二温差发电元件的极性与所述第一温差发电元件相对。
[0271]
第一翅片结构，与所述第一温差发电元件接触；以及
[0272]
第二翅片结构，与所述第二温差发电元件接触，
[0273]
其中所述电源电路包括：
[0274]
第一升压电路，电连接到所述第一温差发电元件；
[0275]
第一防回流二极管，电连接到所述第一升压电路；
[0276]
第二升压电路，电连接到所述第二温差发电元件；以及
[0277]
第二防回流二极管，电连接到所述第二升压电路。
[0278]
(补充说明4)
[0279]
根据补充说明2所述的iot边缘模块，
[0280]
其中所述温差发电模块包括：
[0281]
第一温差发电模块，具有第一导热材料；以及
[0282]
第二温差发电模块，具有第二导热材料，
[0283]
其中所述第一导热材料和所述第二导热材料的导热率或热容量彼此不同。
[0284]
(补充说明5)
[0285]
根据补充说明2所述的iot边缘模块，
[0286]
其中所述温差发电模块包括：
[0287]
第一温差发电模块；以及
[0288]
第二温差发电模块，
[0289]
其中所述电源电路包括：
[0290]
第一开关，连接到所述第一温差发电模块；
[0291]
第一升压电路，连接到所述第一开关；
[0292]
第一防回流二极管，连接到所述第一升压电路；
[0293]
第二开关，连接到所述第二温差发电模块；
[0294]
第二升压电路，连接到所述第二开关；以及
[0295]
第二防回流二极管，连接到所述第二升压电路，
[0296]
其中所述微型计算机包括被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的接通或断开的开关控制器。
[0297]
(补充说明6)
[0298]
根据补充说明5所述的iot边缘模块，
[0299]
其中所述开关控制器被配置为基于所述温差发电模块的发电状态和所述第二温
差发电模块的发电状态控制所述第一开关和所述第二第一开关的接通或断开。