低功率能量采集技术助力传感器寿命更持久

2014-03-18 10:18:58来源: 新电子

    现今无线感测器节点大多使用电池供电,因此建置完成后仍须耗费庞大的人力和物力成本进行维护;而具备低功率能量採集技术的感应器,则可实现几乎无止境的运作,能显著节省维护成本,特别是当此一感测器是被装置在人烟罕至的地区时。 
 
    智慧型环境意味著未来家庭与建筑物的自动化。这些自动化须仰赖各种不同的感应器、控制器及致动器,这些元件扮演多元角色,并分布在整个环境中,而这样的分布形成了一些技术挑战。举例来说,每一个感应器都需要有自己的电源,监控低电池状况也是一项标准作业程序;然而,更换电池需要人力协助。本文旨在提出一种採用能量採集(Energy Harvesting)型、低功率感应器的解决方案;当感应器须传送相当数量的资料,或是执行定期测量时,这种由能量採集所驱动的无线感应器,就显得再合适不过了。能量採集技术的使用可让这些感应器在数年期间内完全免维护,而使用电池的感应器则可能在几个月内就耗尽能量。

    现今已有各种无线感应器的实施方式可供选择,但是系统整体成本并不仅仅取决于硬体而已,根据不同产业标准所实施的成本,也会导致整体成本的增加。其中所包括的不仅是额外的硬体与软体需求,同时也包括了一些较不明显的项目,像是ZigBee及蓝牙(Bluetooth)4.0等通讯技术(图1)认证的费用,甚至可能会有权利金的支出。 

   
 
    图1 有线与无线连接环境示意图

    本文提供一些简单的低功率、能量採集方案,可被用来实现免维护的无线感应器。此外,还会说明如何在提供稳定的效能之际,还能压低整体成本,特别是针对那些具成本效益的无线网路区域。 

导入能量採集技术 无线感测器可靠度增加

    能量採集系统基本上可储存能量(无论是使用NiMH这类的可充电式电池或使用超级电容),以供稍后有需要时使用。能量採集型无线感应器与电池驱动型感应器主要的差异在于电池驱动型无线感应器是被设计成在特定的一段时间内,以电池来进行运作,除此之外,这两者基本上是相同的。能量採集型感应器节点所具备的优势在于它可无限期地採集能量,以供日后所需。通常,它可以採集到的数量或能量是很有限的(受限于价格或实际尺寸),所以,无线发射器及感应器本身所使用的能量必须有所平衡,如此才不会过量消耗採集技术所提供的能量。 

    目前市场上有著各种能量採集元件可供选择。最常见的使用元件是太阳能板。它们有著不同的大小,包括串联或并联多个太阳能电池组成的大型太阳能板,以及使用于手持式计算机或玩具上非常小型的太阳能电池等。 

    另一种型态就是射频(RF)採集元件。这种元件使用天线来接收无线电波,并且将它们转化成电能。这是一种型态较为不同的能量採集元件,它需要高单位的射频能量。电机(Electro-mechanical)採集元件通常使用在电感线圈附近使用动态的磁性元件。热电(Thermo-electrical)能量採集元件可自温差产生小量的电能,这些热电元件是根据塞贝克效应(Seebeck Effect)原理运作。 

    当感测器或控制器加入无线能力时,一些经验不足的使用者多仅会考虑採用ZigBee或蓝牙这类的射频产业标准。然而,依据实际应用需求的不同,特定标准可能无法满足现实的真正需求。一般情况下,通常是当最终产品必须与目前存在于市面上的产品相容时,才有必要採用特定标准。製造一款与其他产品相容的产品,确实是一个较複杂的商业决策,在考虑是否要提供相容性时,须谨慎考量其中的利弊。在有些情况下,相容性可能是必要的(如用于行动电话的耳机麦克风),但在其他一些情况下,增加相容性则是不可能做到的,或是成本会变得太过昂贵(如简单的红外线遥控器)。 

通讯技术认证成本高 射频发射器设计考量多

    许多时候,当设计人员计画要实施一项特定的射频标准时,仅注意到整体的硬体成本,反而忽略实施某项标准的成本。任何射频发射器都须要经过认证,且非射频发射器仍然须经过FCC或CE的认证。然而,它们的运作较为简单及便宜。对于任何无线感应器而言,FCC认证是无可避免的,所以当设计人员在比较不同解决方案时,这项成本因素是可以搁在一旁的。 

    使用标准的整体成本将视所实施的无线标准为何而定,可能会比原先所预期的高出很多。如果是使用特别标准的成本,将远比仅是硬体与软体的成本高出甚多。这些成本通常来自于组织会员资格、标准符合性测试、特定的特性测试、特定的硬体Sniffer工具等。ZigBee的认证成本大约在3,000美元,这仅只是认证本身的费用而已。但实际上,在申请任何认证之前,我们须进行一些特定的预先测试,以及估计这个元件是否可以通过此项认证。专业的测试设备能以每月750美元的费用租用。 

    乍看之下,这些额外成本似乎不是非常高,然而,许多时候採用特定标准也让用户必须付出会员资格的成本,也可能是必须给付的权利金。射频标准的认证成本总是转化成额外的成本以及额外的延误,一直到产品上市为止。 

    硬体本身的单位成本通常是每一万个单位时,会落在1?1.5美元这个范围内。当仅生产低数量的产品时,所有的上述成本将会对每单位的整体成本造成影响。假如我们仅将FCC纳入考量,认证的成本大约是10,000美元,而这样的情况将导致单位价格倍增。射频标准的认证(认证本身的成本、预先测试以及射频测试设备)将很轻易地就超过10,000美元,造成不小的成本压力。 

    [@B]确保传输可靠度 整合型发射器角色吃重[@C] 确保传输可靠度 整合型发射器角色吃重

    特定的无线标准将必须使用到专用的晶片(如IEEE 802.15.4),假如用户仅是需要单向通讯而已,则简单的工业、科学及医疗频段(ISM-band)发射器就可完全满足该应用需求。然而,能量採集型无线感应器节点须符合一些最低的规格要求,使用高资料传输速率是较好的。 

    一般而言,较高的资料传输速率也需要多一点的功率,但是整体的封包长度就会小很多,因此会消耗较少的能量,可使用的调变模式包括振幅移位键控(ASK)、开关键控(OOK),及频率移位键控(FSK)。振幅移位键控调变会使用较少的能量,这是因为射频功率较小时,它是有週期存在的。 

    对于振幅移位键控而言,其整体平均的消耗电流将会较低。儘管如此,频率移位键控依然是首选的调变模式,这是因为它实质上可以有较高的资料传输速率。例如,PIC12LF1840T48A微控制器(MCU)有著微芯(Microchip)所提供的整合型发射器,它在开关键控调变下的传输速率为10kbit/s,而在频率移位键控调变下的传输速率则为100kbit/s。在这种情况下,当使用频率移位键控调变时,资料的传送速度可以快上十倍。 

    同样的,从射频接收器的角度来看,相较于振幅移位键控调变,频率移位键控调变接收器的接收灵敏度较佳且频率移位键控讯号的解码能力也较好,特别是在较高的资料传输速率时。 

    无线能量採集感应器在运作时,要尽可能使用较少的能量。这个目的可以透过在元件上使用低功率停机模式(Low-power Shutdown Modes)来仔细的平衡启动週期(Active Periods),进而达成这个目的。根据此应用本身的响应时间,感应器将会定期发送更多或是较少的已测量到的感应器资讯。在两个主动週期之间的时间越长,则平均的消耗功率就越低,并且能降低真正的能量使用量。 

    感应器可能也需要在两个无线电传送之间来撷取多个资料样本。根据所撷取到的实际物理资讯,来决定要汲取更多或较少的电流。典型的范例包括有运算放大器(Op Amp)以及桥式荷重元(Bridge Load Cell),这些元件在启动时(相较于发送射频资料时所须汲取的电流)需要相对较大量的电流。 

    在实际的无线射频发射配置上须要特别注意一些事项,像是振幅或频率调变、资讯被传送的速度(位元率或频率偏移),以及射频输出到天线的功率等参数,全都对整体的功率消耗有著重大的影响。根据经验法则,射频元件启动的时间越短,则平均功率消耗就越小,这样的法则亦同样适用于此。 

    整个系统必须经过缜密的设计,藉此消除所有不必要的功率使用,例如让发光二极体(LED)在所有时间都保持开启状态是不必要的;处理器必须保持在低功率状态下,时间越久越好。在印刷电路板(PCB)上的所有其他元件,当不使用时就必须能够进入低功耗的待机模式或暂时的关闭。 

降低传输功耗 感测器产品寿命提升

    PIC12LF1840T48A元件上的射频发射器,具有高达200kHz的最大频率偏移,如此将能允许有著100kHz的最大位元传输速率。假如我们使用较小的资料封包来组成一个16位元的前序(Preamble)编码、一个16位元的同步模式(Synchronization Pattern)以及一个32位元的装载资料(Payload),则它将仅须花费640μs传送一个完整的资料封包。能量的测量单位是焦耳(J),基本焦耳的计算公式为1焦耳=1瓦×1秒=1伏特(V)×1安培(A)×1秒。所以我们很容易就能计算出传送一组资料封包的能量消耗为能量1=10.5mA×640μs与10.5mA×3.0伏特×640μs=31.5mW×640μs=20.16微焦耳。 

    以PIC12LF1840T48A这款产品做为设计范例,石英振盪器的启动时间通常是650μs,而且当它启动石英振盪器时,会汲取大约5mA电流。启动时的功率消耗为能量1=5mA×3伏特×650μs=9.75微焦耳。 

    在范例中,实际的资料传输是包含16位元的前序编码、16位元的同步模式以及一个32位元的资料。基于选定的位元率100kbit/s,传输週期将是640μs。就+0dB在868MHz的射频传输而言,採用频率移位键控调变的情况下,功率消耗是12mA,公式为能量2=12mA×3伏特×640μs=23.04微焦耳。假如使用简单的10kbit/s来进行传输,这时所使用的能量将会是能量2=7.5mA×3伏特×6.40μs=144微焦耳,这项比较只是要勾勒出使用较高资料传输速率的重要性。 

    在传送出最后一个资料位元后,这款PIC12F1840T48A发射器将会自动进入逾时(Timeout)并回复到低功率的停机状态。这个逾时期间的最小值是2μs。这将导致额外的功率消耗为能量3=12mA×3伏特×2μs=72微焦耳。因此,传输一个资料封包所汲取的总能量为: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。 

    一个微型的太阳能电池可以产生的输出电流为4.5μA@3伏特;然而,如此一来该电池将势必启动长达多秒,才能够得到足够的能量来供应一个资料传输。举例而言,使用一个低成本的太阳能电池可以产生3伏特与6mA,而这仅能产生如下的能量:3伏特×40μA=140微瓦。我们现在可以计算看看需要多长时间来收集传送一个单一资料传输所需的能量:时间=104.79微焦耳/140微瓦=0.74秒。 

    这意味这个感应器单元在两个连续的资料传输之间,必须等待大约小于1秒的时间。另外也必须要考虑到的是,上述的计算是基于太阳能电池有著无止境的恒常光源。当然,对于大多数一般的情况而言,这并不是真实的情况,因为主要的能量来源是自然光,而这是仅在白天才有的。在这种情况下,上述的计算必须予以扩展,也就是它必须考虑到在白天的时候,採集系统必须储存能量以供夜间在没有自然光线时所用。此外,由实际的感应器在测量时所需的能量,并没有被计算在这个范例中。 

能源採集解决方案助阵 感测器实用性大跃升

    根据实际的系统需求规格,现在能量採集可以有多种能量储存的方式,例如採集能量到超级电容与NiMH可充电式电池中,可利用从太阳能电池进行捐流充电,所以并不须要使用充电稳压器。 

    在某些情况下,当主要的能量来源(如光线与热能)是可持续不断供应,而且所产生的能量是足够供给无线感应器的线路使用时,则此时就毋须把能量存到个别的元件上。当然的,这个选项的适用性是非常有限的。 

    当设计人员在开发低功率无线感应器节点时,使用能量採集这种解决方案的主要好处并不在于这种无线解决方案可节省单位成本,而是在于部署与维护这个无线感应器系统时的成本可大幅节省。 

    试想,有多少次维护人员必须在凌晨一点钟,爬到梯子上更换烟雾侦测器裡的电池呢?这种在监控以及更换无线感应器网路电池的维护成本,很轻易的就会超过每单位所节省的成本,尤其是当无线感应器系统是被安装在偏远或是难以到达的地区,此一效果更为显著。 

    在须进行定期维护服务时,无线系统的大小(感应器的数目)也会成为主要的考量因素。 

    能量採集技术可收集「免费」能量并储存这个能量,以供真正需要时使用,而不是针对无线系统的功率使用量处处受限,以保证有著5年以上的电池寿命,让客户在这期间不须要更换电池。 

    能量採集型无线感应器节点现在已可被设计成更具有价格竞争力的产品。值得注意的是,如果该项业务并不须支援如ZigBee或无线区域网路(Wi-Fi)等较複杂的无线网路标准时,大多数的新式无线感应器设计,甚至不需要电池,即可从光线、无线电波、机械能及热能等不同的主要能量来源来撷取能量。 

    在正常情况下,一个能量採集型低功率无线感应器,几乎是可以无止境持续运作,而且绝对不需要任何人类的干预,这类型的产品将能够显著节省维护成本,特别是当此一感应器是被装置放在人类很难或是根本不可能进去的地方时。系统开发人员透过更加审慎地选择通讯协定、资料的传输率,以及更好的利用新型射频元件的电源管理特性,将可为用户大幅降低整体功率需求,进而降低无线感应器解决方案的成本。 

    (本文作者皆任职于微芯)

关键字:传感器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2014/0318/article_20985.html
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