采用低功率能量采集技術(shù)，增加無(wú)線傳感器壽命

導(dǎo)讀： 本文提供一些簡(jiǎn)單的低功率、能量采集方案，可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的無(wú)線傳感器。此外，還會(huì)說(shuō)明如何在提供穩(wěn)定的效能之際，還能壓低整體成本，特別是針對(duì)那些具成本效益的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

　　現(xiàn)今無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大多使用電池供電，因此建置完成后仍須耗費(fèi)龐大的人力和物力成本進(jìn)行維護(hù)；而具備低功率能量采集技術(shù)的傳感器，則可實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)止境的運(yùn)作，能顯著節(jié)省維護(hù)成本，特別是當(dāng)此一傳感器是被裝置在人煙罕至的地區(qū)時(shí)。

　　現(xiàn)今無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大多使用電池供電，因此建置完成后仍須耗費(fèi)龐大的人力和物力成本進(jìn)行維護(hù)；而具備低功率能量采集技術(shù)的傳感器，則可實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)止境的運(yùn)作，能顯著節(jié)省維護(hù)成本，特別是當(dāng)此一傳感器是被裝置在人煙罕至的地區(qū)時(shí)。

　　智能環(huán)境意味著未來(lái)家庭與建筑物的自動(dòng)化。這些自動(dòng)化須仰賴各種不同的傳感器、控制器及致動(dòng)器，這些元件扮演多元角色，并分布在整個(gè)環(huán)境中，而這樣的分布形成了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。舉例來(lái)說(shuō)，每一個(gè)傳感器都需要有自己的電源，監(jiān)控低電池狀況也是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序；然而，更換電池需要人力協(xié)助。本文旨在提出一種采用能量采集（Energy Harvesting）型、低功率傳感器的解決方案；當(dāng)傳感器須傳送相當(dāng)數(shù)量的資料，或是執(zhí)行定期測(cè)量時(shí)，這種由能量采集所驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器，就顯得再合適不過(guò)了。能量采集技術(shù)的使用可讓這些傳感器在數(shù)年期間內(nèi)完全免維護(hù)，而使用電池的傳感器則可能在幾個(gè)月內(nèi)就耗盡能量。

　　現(xiàn)今已有各種無(wú)線傳感器的實(shí)施方式可供選擇，但是系統(tǒng)整體成本并不僅僅取決于硬件而已，根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所實(shí)施的成本，也會(huì)導(dǎo)致整體成本的增加。其中所包括的不僅是額外的硬件與軟件需求，同時(shí)也包括了一些較不明顯的項(xiàng)目，像是ZigBee及藍(lán)牙（Bluetooth）4.0等通訊技術(shù)（圖1）認(rèn)證的費(fèi)用，甚至可能會(huì)有權(quán)利金的支出。

                           　　圖1 有線與無(wú)線連接環(huán)境示意圖

　　本文提供一些簡(jiǎn)單的低功率、能量采集方案，可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的無(wú)線傳感器。此外，還會(huì)說(shuō)明如何在提供穩(wěn)定的效能之際，還能壓低整體成本，特別是針對(duì)那些具成本效益的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

　　導(dǎo)入能量采集技術(shù) 無(wú)線傳感器可靠度增加

　　能量采集系統(tǒng)基本上可儲(chǔ)存能量（無(wú)論是使用NiMH這類的可充電式電池或使用超級(jí)電容），以供稍后有需要時(shí)使用。能量采集型無(wú)線傳感器與電池驅(qū)動(dòng)型傳感器主要的差異在于電池驅(qū)動(dòng)型無(wú)線傳感器是被設(shè)計(jì)成在特定的一段時(shí)間內(nèi)，以電池來(lái)進(jìn)行運(yùn)作，除此之外，這兩者基本上是相同的。能量采集型傳感器節(jié)點(diǎn)所具備的優(yōu)勢(shì)在于它可無(wú)限期地采集能量，以供日后所需。通常，它可以采集到的數(shù)量或能量是很有限的（受限于價(jià)格或?qū)嶋H尺寸），所以，無(wú)線發(fā)射器及傳感器本身所使用的能量必須有所平衡，如此才不會(huì)過(guò)量消耗采集技術(shù)所提供的能量。

　　目前市場(chǎng)上有著各種能量采集元件可供選擇。最常見(jiàn)的使用元件是太陽(yáng)能板。它們有著不同的大小，包括串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)太陽(yáng)能電池組成的大型太陽(yáng)能板，以及使用于手持式計(jì)算機(jī)或玩具上非常小型的太陽(yáng)能電池等。

　　另一種型態(tài)就是射頻（RF）采集元件。這種元件使用天線來(lái)接收無(wú)線電波，并且將它們轉(zhuǎn)化成電能。這是一種型態(tài)較為不同的能量采集元件，它需要高單位的射頻能量。電機(jī)（Electro-mechanical）采集元件通常使用在電感線圈附近使用動(dòng)態(tài)的磁性元件。熱電（Thermo-electrical）能量采集元件可自溫差產(chǎn)生小量的電能，這些熱電元件是根據(jù)塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）原理運(yùn)作。

　　當(dāng)傳感器或控制器加入無(wú)線能力時(shí)，一些經(jīng)驗(yàn)不足的使用者多僅會(huì)考慮采用ZigBee或藍(lán)牙這類的射頻產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求的不同，特定標(biāo)準(zhǔn)可能無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的真正需求。一般情況下，通常是當(dāng)最終產(chǎn)品必須與目前存在于市面上的產(chǎn)品相容時(shí)，才有必要采用特定標(biāo)準(zhǔn)。制造一款與其他產(chǎn)品相容的產(chǎn)品，確實(shí)是一個(gè)較復(fù)雜的商業(yè)決策，在考慮是否要提供相容性時(shí)，須謹(jǐn)慎考量其中的利弊。在有些情況下，相容性可能是必要的（如用于行動(dòng)電話的耳機(jī)麥克風(fēng)），但在其他一些情況下，增加相容性則是不可能做到的，或是成本會(huì)變得太過(guò)昂貴（如簡(jiǎn)單的紅外線遙控器）。

　　通訊技術(shù)認(rèn)證成本高 射頻發(fā)射器設(shè)計(jì)考量多

　　許多時(shí)候，當(dāng)設(shè)計(jì)人員計(jì)畫(huà)要實(shí)施一項(xiàng)特定的射頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，僅注意到整體的硬件成本，反而忽略實(shí)施某項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的成本。任何射頻發(fā)射器都須要經(jīng)過(guò)認(rèn)證，且非射頻發(fā)射器仍然須經(jīng)過(guò)FCC或CE的認(rèn)證。然而，它們的運(yùn)作較為簡(jiǎn)單及便宜。對(duì)于任何無(wú)線傳感器而言，F(xiàn)CC認(rèn)證是無(wú)可避免的，所以當(dāng)設(shè)計(jì)人員在比較不同解決方案時(shí)，這項(xiàng)成本因素是可以擱在一旁的。

　　使用標(biāo)準(zhǔn)的整體成本將視所實(shí)施的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)為何而定，可能會(huì)比原先所預(yù)期的高出很多。如果是使用特別標(biāo)準(zhǔn)的成本，將遠(yuǎn)比僅是硬件與軟件的成本高出甚多。這些成本通常來(lái)自于組織會(huì)員資格、標(biāo)準(zhǔn)符合性測(cè)試、特定的特性測(cè)試、特定的硬件Sniffer工具等。ZigBee的認(rèn)證成本大約在3,000美元，這僅只是認(rèn)證本身的費(fèi)用而已。但實(shí)際上，在申請(qǐng)任何認(rèn)證之前，我們須進(jìn)行一些特定的預(yù)先測(cè)試，以及估計(jì)這個(gè)元件是否可以通過(guò)此項(xiàng)認(rèn)證。專業(yè)的測(cè)試設(shè)備能以每月 750美元的費(fèi)用租用。

　　乍看之下，這些額外成本似乎不是非常高，然而，許多時(shí)候采用特定標(biāo)準(zhǔn)也讓用戶必須付出會(huì)員資格的成本，也可能是必須給付的權(quán)利金。射頻標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證成本總是轉(zhuǎn)化成額外的成本以及額外的延誤，一直到產(chǎn)品上市為止。

　　硬件本身的單位成本通常是每一萬(wàn)個(gè)單位時(shí)，會(huì)落在1-1.5美元這個(gè)范圍內(nèi)。當(dāng)僅生產(chǎn)低數(shù)量的產(chǎn)品時(shí)，所有的上述成本將會(huì)對(duì)每單位的整體成本造成影響。假如我們僅將FCC納入考量，認(rèn)證的成本大約是10,000美元，而這樣的情況將導(dǎo)致單位價(jià)格倍增。射頻標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證（認(rèn)證本身的成本、預(yù)先測(cè)試以及射頻測(cè)試設(shè)備）將很輕易地就超過(guò)10,000美元，造成不小的成本壓力。

　　確保傳輸可靠度 整合型發(fā)射器角色吃重

　　特定的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)將必須使用到專用的芯片（如IEEE 802.15.4），假如用戶僅是需要單向通訊而已，則簡(jiǎn)單的工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療頻段（ISM-band）發(fā)射器就可完全滿足該應(yīng)用需求。然而，能量采集型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)須符合一些最低的規(guī)格要求，使用高資料傳輸速率是較好的。

　　一般而言，較高的資料傳輸速率也需要多一點(diǎn)的功率，但是整體的封包長(zhǎng)度就會(huì)小很多，因此會(huì)消耗較少的能量，可使用的調(diào)變模式包括振幅移位鍵控（ASK）、開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），及頻率移位鍵控（FSK）。振幅移位鍵控調(diào)變會(huì)使用較少的能量，這是因?yàn)樯漕l功率較小時(shí)，它是有周期存在的。

　　對(duì)于振幅移位鍵控而言，其整體平均的消耗電流將會(huì)較低。盡管如此，頻率移位鍵控依然是首選的調(diào)變模式，這是因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上可以有較高的資料傳輸速率。例如，PIC12LF1840T48A微控制器（MCU）有著微芯（Microchip）所提供的整合型發(fā)射器，它在開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)變下的傳輸速率為 10kbit/s,而在頻率移位鍵控調(diào)變下的傳輸速率則為100kbit/s.在這種情況下，當(dāng)使用頻率移位鍵控調(diào)變時(shí)，資料的傳送速度可以快上十倍。

　　同樣的，從射頻接收器的角度來(lái)看，相較于振幅移位鍵控調(diào)變，頻率移位鍵控調(diào)變接收器的接收靈敏度較佳且頻率移位鍵控訊號(hào)的解碼能力也較好，特別是在較高的資料傳輸速率時(shí)。

　　無(wú)線能量采集傳感器在運(yùn)作時(shí)，要盡可能使用較少的能量。這個(gè)目的可以透過(guò)在元件上使用低功率停機(jī)模式（Low-power Shutdown Modes）來(lái)仔細(xì)的平衡啟動(dòng)周期（Active Periods），進(jìn)而達(dá)成這個(gè)目的。根據(jù)此應(yīng)用本身的響應(yīng)時(shí)間，傳感器將會(huì)定期發(fā)送更多或是較少的已測(cè)量到的傳感器資訊。在兩個(gè)主動(dòng)周期之間的時(shí)間越長(zhǎng)，則平均的消耗功率就越低，并且能降低真正的能量使用量。

　　傳感器可能也需要在兩個(gè)無(wú)線電傳送之間來(lái)擷取多個(gè)資料樣本。根據(jù)所擷取到的實(shí)際物理資訊，來(lái)決定要汲取更多或較少的電流。典型的范例包括有運(yùn)算放大器 （Op Amp）以及橋式荷重元（Bridge Load Cell），這些元件在啟動(dòng)時(shí)（相較于發(fā)送射頻資料時(shí)所須汲取的電流）需要相對(duì)較大量的電流。

　　在實(shí)際的無(wú)線射頻發(fā)射配置上須要特別注意一些事項(xiàng)，像是振幅或頻率調(diào)變、資訊被傳送的速度（位元率或頻率偏移），以及射頻輸出到天線的功率等參數(shù)，全都對(duì)整體的功率消耗有著重大的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，射頻元件啟動(dòng)的時(shí)間越短，則平均功率消耗就越小，這樣的法則亦同樣適用于此。

　　整個(gè)系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)縝密的設(shè)計(jì)，藉此消除所有不必要的功率使用，例如讓發(fā)光二極體（LED）在所有時(shí)間都保持開(kāi)啟狀態(tài)是不必要的；處理器必須保持在低功率狀態(tài)下，時(shí)間越久越好。在印刷電路板（PCB）上的所有其他元件，當(dāng)不使用時(shí)就必須能夠進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式或暫時(shí)的關(guān)閉。

　　降低傳輸功耗 傳感器產(chǎn)品壽命提升

　　PIC12LF1840T48A元件上的射頻發(fā)射器，具有高達(dá)200kHz的最大頻率偏移，如此將能允許有著100kHz的最大位元傳輸速率。假如我們使用較小的資料封包來(lái)組成一個(gè)16位元的前序（Preamble）編碼、一個(gè)16位元的同步模式（Synchronization Pattern）以及一個(gè)32位元的裝載資料（Payload），則它將僅須花費(fèi)640μs傳送一個(gè)完整的資料封包。能量的測(cè)量單位是焦耳（J），基本焦耳的計(jì)算公式為1焦耳=1瓦×1秒=1伏特（V）×1安培（A）×1秒。所以我們很容易就能計(jì)算出傳送一組資料封包的能量消耗為能量 1=10.5mA×640μs與10.5mA×3.0伏特×640μs=31.5mW×640μs=20.16微焦耳。

　　以PIC12LF1840T48A這款產(chǎn)品做為設(shè)計(jì)范例，石英振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間通常是650μs,而且當(dāng)它啟動(dòng)石英振蕩器時(shí)，會(huì)汲取大約5mA電流。啟動(dòng)時(shí)的功率消耗為能量1=5mA×3伏特×650μs=9.75微焦耳。

　　在范例中，實(shí)際的資料傳輸是包含16位元的前序編碼、16位元的同步模式以及一個(gè)32位元的資料?；谶x定的位元率100kbit/s,傳輸周期將是 640μs.就+0dB在868MHz的射頻傳輸而言，采用頻率移位鍵控調(diào)變的情況下，功率消耗是12mA,公式為能量2=12mA×3伏特 ×640μs=23.04微焦耳。假如使用簡(jiǎn)單的10kbit/s來(lái)進(jìn)行傳輸，這時(shí)所使用的能量將會(huì)是能量2=7.5mA×3伏特×6.40μs=144 微焦耳，這項(xiàng)比較只是要勾勒出使用較高資料傳輸速率的重要性。

　　在傳送出最后一個(gè)資料位元后，這款PIC12F1840T48A發(fā)射器將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入逾時(shí)（Timeout）并回復(fù)到低功率的停機(jī)狀態(tài)。這個(gè)逾時(shí)期間的最小值是2μs.這將導(dǎo)致額外的功率消耗為能量3=12mA×3伏特×2μs=72微焦耳。因此，傳輸一個(gè)資料封包所汲取的總能量為：能量=能量1+能量2+ 能量3=9.75微焦耳+23.04微焦耳+72微焦耳=104.79微焦耳。

　　一個(gè)微型的太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生的輸出電流為4.5μA@3伏特；然而，如此一來(lái)該電池將勢(shì)必啟動(dòng)長(zhǎng)達(dá)多秒，才能夠得到足夠的能量來(lái)供應(yīng)一個(gè)資料傳輸。舉例而言，使用一個(gè)低成本的太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生3伏特與6mA,而這僅能產(chǎn)生如下的能量：3伏特×40μA=140微瓦。我們現(xiàn)在可以計(jì)算看看需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)收集傳送一個(gè)單一資料傳輸所需的能量：時(shí)間=104.79微焦耳/140微瓦=0.74秒。

　　這意味這個(gè)傳感器單元在兩個(gè)連續(xù)的資料傳輸之間，必須等待大約小于1秒的時(shí)間。另外也必須要考慮到的是，上述的計(jì)算是基于太陽(yáng)能電池有著無(wú)止境的恒常光源。當(dāng)然，對(duì)于大多數(shù)一般的情況而言，這并不是真實(shí)的情況，因?yàn)橹饕哪芰縼?lái)源是自然光，而這是僅在白天才有的。在這種情況下，上述的計(jì)算必須予以擴(kuò)展，也就是它必須考慮到在白天的時(shí)候，采集系統(tǒng)必須儲(chǔ)存能量以供夜間在沒(méi)有自然光線時(shí)所用。此外，由實(shí)際的傳感器在測(cè)量時(shí)所需的能量，并沒(méi)有被計(jì)算在這個(gè)范例中。

　　能源采集解決方案助陣 傳感器實(shí)用性大躍升

　　根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)需求規(guī)格，現(xiàn)在能量采集可以有多種能量?jī)?chǔ)存的方式，例如采集能量到超級(jí)電容與NiMH可充電式電池中，可利用從太陽(yáng)能電池進(jìn)行涓流充電，所以并不須要使用充電穩(wěn)壓器。

　　在某些情況下，當(dāng)主要的能量來(lái)源（如光線與熱能）是可持續(xù)不斷供應(yīng)，而且所產(chǎn)生的能量是足夠供給無(wú)線傳感器的線路使用時(shí)，則此時(shí)就毋須把能量存到個(gè)別的元件上。當(dāng)然的，這個(gè)選項(xiàng)的適用性是非常有限的。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)低功率無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用能量采集這種解決方案的主要好處并不在于這種無(wú)線解決方案可節(jié)省單位成本，而是在于部署與維護(hù)這個(gè)無(wú)線傳感器系統(tǒng)時(shí)的成本可大幅節(jié)省。

　　試想，有多少次維護(hù)人員必須在凌晨一點(diǎn)鐘，爬到梯子上更換煙霧偵測(cè)器里的電池呢？這種在監(jiān)控以及更換無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池的維護(hù)成本，很輕易的就會(huì)超過(guò)每單位所節(jié)省的成本，尤其是當(dāng)無(wú)線傳感器系統(tǒng)是被安裝在偏遠(yuǎn)或是難以到達(dá)的地區(qū)，此一效果更為顯著。

　　在須進(jìn)行定期維護(hù)服務(wù)時(shí)，無(wú)線系統(tǒng)的大?。▊鞲衅鞯臄?shù)目）也會(huì)成為主要的考量因素。

　　能量采集技術(shù)可收集「免費(fèi)」能量并儲(chǔ)存這個(gè)能量，以供真正需要時(shí)使用，而不是針對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的功率使用量處處受限，以保證有著5年以上的電池壽命，讓客戶在這期間不須要更換電池。

　　能量采集型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在已可被設(shè)計(jì)成更具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。值得注意的是，如果該項(xiàng)業(yè)務(wù)并不須支援如ZigBee或無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）等較復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，大多數(shù)的新式無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)，甚至不需要電池，即可從光線、無(wú)線電波、機(jī)械能及熱能等不同的主要能量來(lái)源來(lái)擷取能量。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員透過(guò)更加審慎地選擇通訊協(xié)定、資料的傳輸率，以及更好的利用新型射頻元件的電源管理特性，將可為用戶大幅降低整體功率需求，進(jìn)而降低無(wú)線傳感器解決方案的成本。在正常情況下，一個(gè)能量采集型低功率無(wú)線傳感器，幾乎是可以無(wú)止境持續(xù)運(yùn)作，而且絕對(duì)不需要任何人類的干預(yù)，這類型的產(chǎn)品將能夠顯著節(jié)省維護(hù)成本，特別是當(dāng)此一傳感器是被裝置放在人類很難或是根本不可能進(jìn)去的地方時(shí)。