采用低功率能量采集技術(shù)，增加無線傳感器壽命

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。

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。

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(jià)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(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