采用低功率能量采集技術(shù)，增加無線傳感器壽命

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，如此一來該電池將勢(shì)必啟動(dòng)長達(dá)多秒，才能夠得到足夠的能量來供應(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)算看看需要多長時(shí)間來收集傳送一個(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)算是基于太陽能電池有著無止境的恒常光源。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哪芰縼碓词亲匀还猓@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儲(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)人員在開發(fā)低功率無線傳感器節(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)超過每單位所節(jié)省的成本，尤其是當(dāng)無線傳感器系統(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)，無線系統(tǒng)的大小(傳感器的數(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或無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)等較復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，大多數(shù)的新式無線傳感器設(shè)計(jì)，甚至不需要電池，即可從光線、無線電波、機(jī)械能及熱能等不同的主要能量來源來擷取能量。

結(jié)束語

系統(tǒng)開發(fā)人員透過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線傳感器，幾乎是可以無止境持續(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)。