低功率能量采集技術(shù)相助　無線傳感器壽命更持久

　　現(xiàn)今無線傳感器節(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。

　　智能環(huán)境意味著未來家庭與建筑物的自動化。這些自動化須仰賴各種不同的傳感器、控制器及致動器，這些元件扮演多元角色，并分布在整個環(huán)境中，而這樣的分布形成了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。舉例來說，每一個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)行定期測量時，這種由能量采集所驅(qū)動的無線傳感器，就顯得再合適不過了。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月內(nèi)就耗盡能量。

　　現(xiàn)今已有各種無線傳感器的實(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，甚至可能會有權(quán)利金的支出。

　　圖1　有線與無線連接環(huán)境示意圖

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

　　導(dǎo)入能量采集技術(shù)　無線傳感器可靠度增加

　　能量采集系統(tǒng)基本上可儲存能量（無論是使用NiMH這類的可充電式電池或使用超級電容），以供稍后有需要時使用。能量采集型無線傳感器與電池驅(qū)動型傳感器主要的差異在于電池驅(qū)動型無線傳感器是被設(shè)計(jì)成在特定的一段時間內(nèi)，以電池來進(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)勢在于它可無限期地采集能量，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（受限于價格或?qū)嶋H尺寸），所以，無線發(fā)射器及傳感器本身所使用的能量必須有所平衡，如此才不會過量消耗采集技術(shù)所提供的能量。

　　目前市場上有著各種能量采集元件可供選擇。最常見的使用元件是太陽能板。它們有著不同的大小，包括串聯(lián)或并聯(lián)多個太陽能電池組成的大型太陽能板，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接收無線電波，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線能力時，一些經(jīng)驗(yàn)不足的使用者多僅會考慮采用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，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)是一個較復(fù)雜的商業(yè)決策，在考慮是否要提供相容性時，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，或是成本會變得太過昂貴（如簡單的紅外線遙控器）。

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

　　許多時候，當(dāng)設(shè)計(jì)人員計(jì)畫要實(shí)施一項(xiàng)特定的射頻標(biāo)準(zhǔn)時，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)過認(rèn)證，且非射頻發(fā)射器仍然須經(jīng)過FCC或CE的認(rèn)證。然而，它們的運(yùn)作較為簡單及便宜。對于任何無線傳感器而言，F(xiàn)CC認(rèn)證是無可避免的，所以當(dāng)設(shè)計(jì)人員在比較不同解決方案時，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)施的無線標(biāo)準(zhǔn)為何而定，可能會比原先所預(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。這些成本通常來自于組織會員資格、標(biāo)準(zhǔn)符合性測試、特定的特性測試、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，在申請任何認(rèn)證之前，我們須進(jìn)行一些特定的預(yù)先測試，以及估計(jì)這個元件是否可以通過此項(xiàng)認(rèn)證。專業(yè)的測試設(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，許多時候采用特定標(biāo)準(zhǔn)也讓用戶必須付出會員資格的成本，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個單位時，會落在1-1.5美元這個范圍內(nèi)。當(dāng)僅生產(chǎn)低數(shù)量的產(chǎn)品時，所有的上述成本將會對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)先測試以及射頻測試設(shè)備）將很輕易地就超過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，但是整體的封包長度就會小很多，因此會消耗較少的能量，可使用的調(diào)變模式包括振幅移位鍵控（ASK）、開關(guān)鍵控（OOK），及頻率移位鍵控（FSK）。振幅移位鍵控調(diào)變會使用較少的能量，這是因?yàn)樯漕l功率較小時，它是有周期存在的。

　　對于振幅移位鍵控而言，其整體平均的消耗電流將會較低。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，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的解碼能力也較好，特別是在較高的資料傳輸速率時。

　　無線能量采集傳感器在運(yùn)作時，要盡可能使用較少的能量。這個目的可以透過在元件上使用低功率停機(jī)模式（Low-power Shutdown Modes）來仔細(xì)的平衡啟動周期（Active Periods），進(jìn)而達(dá)成這個目的。根據(jù)此應(yīng)用本身的響應(yīng)時間，傳感器將會定期發(fā)送更多或是較少的已測量到的傳感器資訊。在兩個主動周期之間的時間越長，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無線電傳送之間來擷取多個資料樣本。根據(jù)所擷取到的實(shí)際物理資訊，來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），這些元件在啟動時（相較于發(fā)送射頻資料時所須汲取的電流）需要相對較大量的電流。

　　在實(shí)際的無線射頻發(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，射頻元件啟動的時間越短，則平均功率消耗就越小，這樣的法則亦同樣適用于此。

　　整個系統(tǒng)必須經(jīng)過縝密的設(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）在所有時間都保持開啟狀態(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)不使用時就必須能夠進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式或暫時的關(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組成一個16位元的前序（Preamble）編碼、一個16位元的同步模式（Synchronization Pattern）以及一個32位元的裝載資料（Payload），則它將僅須花費(fèi)640μs傳送一個完整的資料封包。能量的測量單位是焦耳（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，石英振蕩器的啟動時間通常是650μs，而且當(dāng)它啟動石英振蕩器時，會汲取大約5mA電流。啟動時的功率消耗為能量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。假如使用簡單的10kbit/s來進(jìn)行傳輸，這時所使用的能量將會是能量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。

　　在傳送出最后一個資料位元后，這款PIC12F1840T48A發(fā)射器將會自動進(jìn)入逾時（Timeout）并回復(fù)到低功率的停機(jī)狀態(tài)。這個逾時期間的最小值是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必啟動長達(dá)多秒，才能夠得到足夠的能量來供應(yīng)一個資料傳輸。舉例而言，使用一個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)算看看需要多長時間來收集傳送一個單一資料傳輸所需的能量：時間=104.79微焦耳/140微瓦=0.74秒。

　　這意味這個傳感器單元在兩個連續(xù)的資料傳輸之間，必須等待大約小于1秒的時間。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?，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候，采集系統(tǒng)必須儲存能量以供夜間在沒有自然光線時所用。此外，由實(shí)際的傳感器在測量時所需的能量，并沒有被計(jì)算在這個范例中。

　　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存的方式，例如采集能量到超級電容與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，則此時就毋須把能量存到個別的元件上。當(dāng)然的，這個選項(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，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)這個無線傳感器系統(tǒng)時的成本可大幅節(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，無線系統(tǒng)的大?。▊鞲衅鞯臄?shù)目）也會成為主要的考量因素。

　　能量采集技術(shù)可收集「免費(fèi)」能量并儲存這個能量，以供真正需要時使用，而不是針對無線系統(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)成更具有價格競爭力的產(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，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。

　　在正常情況下，一個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。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。

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