采用低功率能量采集技術(shù)，增加無(wú)線(xiàn)傳感器壽命

現今無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)大多使用電池供電，因此建置完成后仍須耗費龐大的人力和物力成本進(jìn)行維護;而具備低功率能量采集技術(shù)的傳感器，則可實(shí)現幾乎無(wú)止境的運作，能顯著(zhù)節省維護成本，特別是當此一傳感器是被裝置在人煙罕至的地區時(shí)。

現今無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)大多使用電池供電，因此建置完成后仍須耗費龐大的人力和物力成本進(jìn)行維護;而具備低功率能量采集技術(shù)的傳感器，則可實(shí)現幾乎無(wú)止境的運作，能顯著(zhù)節省維護成本，特別是當此一傳感器是被裝置在人煙罕至的地區時(shí)。

智能環(huán)境意味著(zhù)未來(lái)家庭與建筑物的自動(dòng)化。這些自動(dòng)化須仰賴(lài)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。舉例來(lái)說(shuō)，每一個(gè)傳感器都需要有自己的電源，監控低電池狀況也是一項標準作業(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;當傳感器須傳送相當數量的資料，或是執行定期測量時(shí)，這種由能量采集所驅動(dòng)的無(wú)線(xiàn)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年期間內完全免維護，而使用電池的傳感器則可能在幾個(gè)月內就耗盡能量。

現今已有各種無(wú)線(xiàn)傳感器的實(shí)施方式可供選擇，但是系統整體成本并不僅僅取決于硬件而已，根據不同產(chǎn)業(yè)標準所實(shí)施的成本，也會(huì )導致整體成本的增加。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目，像是ZigBee及藍牙(Bluetooth)4.0等通訊技術(shù)(圖1)認證的費用，甚至可能會(huì )有權利金的支出。

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)現免維護的無(wú)線(xiàn)傳感器。此外，還會(huì )說(shuō)明如何在提供穩定的效能之際，還能壓低整體成本，特別是針對那些具成本效益的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )區域。

導入能量采集技術(shù) 無(wú)線(xiàn)傳感器可靠度增加

能量采集系統基本上可儲存能量(無(wú)論是使用NiMH這類(lèi)的可充電式電池或使用超級電容)，以供稍后有需要時(shí)使用。能量采集型無(wú)線(xiàn)傳感器與電池驅動(dòng)型傳感器主要的差異在于電池驅動(dòng)型無(wú)線(xiàn)傳感器是被設計成在特定的一段時(shí)間內，以電池來(lái)進(jìn)行運作，除此之外，這兩者基本上是相同的。能量采集型傳感器節點(diǎn)所具備的優(yōu)勢在于它可無(wú)限期地采集能量，以供日后所需。通常，它可以采集到的數量或能量是很有限的(受限于價(jià)格或實(shí)際尺寸)，所以，無(wú)線(xiàn)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(zhù)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(zhù)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算機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(xiàn)來(lái)接收無(wú)線(xiàn)電波，并且將它們轉化成電能。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(Electro-mechanical)采集元件通常使用在電感線(xiàn)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塞貝克效應(Seebeck Effect)原理運作。

當傳感器或控制器加入無(wú)線(xiàn)能力時(shí)，一些經(jīng)驗不足的使用者多僅會(huì )考慮采用ZigBee或藍牙這類(lèi)的射頻產(chǎn)業(yè)標準。然而，依據實(shí)際應用需求的不同，特定標準可能無(wú)法滿(mǎn)足現實(shí)的真正需求。一般情況下，通常是當最終產(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準。制造一款與其他產(chǎn)品相容的產(chǎn)品，確實(shí)是一個(gè)較復雜的商業(yè)決策，在考慮是否要提供相容性時(shí)，須謹慎考量其中的利弊。在有些情況下，相容性可能是必要的(如用于行動(dòng)電話(huà)的耳機麥克風(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(xiàn)遙控器)。

通訊技術(shù)認證成本高 射頻發(fā)射器設計考量多

許多時(shí)候，當設計人員計畫(huà)要實(shí)施一項特定的射頻標準時(shí)，僅注意到整體的硬件成本，反而忽略實(shí)施某項標準的成本。任何射頻發(fā)射器都須要經(jīng)過(guò)認證，且非射頻發(fā)射器仍然須經(jīng)過(guò)FCC或CE的認證。然而，它們的運作較為簡(jiǎn)單及便宜。對于任何無(wú)線(xiàn)傳感器而言，FCC認證是無(wú)可避免的，所以當設計人員在比較不同解決方案時(shí)，這項成本因素是可以擱在一旁的。

使用標準的整體成本將視所實(shí)施的無(wú)線(xiàn)標準為何而定，可能會(huì )比原先所預期的高出很多。如果是使用特別標準的成本，將遠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、標準符合性測試、特定的特性測試、特定的硬件Sniffer工具等。ZigBee的認證成本大約在3,000美元，這僅只是認證本身的費用而已。但實(shí)際上，在申請任何認證之前，我們須進(jìn)行一些特定的預先測試，以及估計這個(gè)元件是否可以通過(guò)此項認證。專(zhuān)業(yè)的測試設備能以每月 750美元的費用租用。

乍看之下，這些額外成本似乎不是非常高，然而，許多時(shí)候采用特定標準也讓用戶(hù)必須付出會(huì )員資格的成本，也可能是必須給付的權利金。射頻標準的認證成本總是轉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。當僅生產(chǎn)低數量的產(chǎn)品時(shí)，所有的上述成本將會(huì )對每單位的整體成本造成影響。假如我們僅將FCC納入考量，認證的成本大約是10,000美元，而這樣的情況將導致單位價(jià)格倍增。射頻標準的認證(認證本身的成本、預先測試以及射頻測試設備)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(xiàn)標準將必須使用到專(zhuān)用的芯片(如IEEE 802.15.4)，假如用戶(hù)僅是需要單向通訊而已，則簡(jiǎn)單的工業(yè)、科學(xué)及醫療頻段(ISM-band)發(fā)射器就可完全滿(mǎn)足該應用需求。然而，能量采集型無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)須符合一些最低的規格要求，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(cháng)度就會(huì )小很多，因此會(huì )消耗較少的能量，可使用的調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)。振幅移位鍵控調變會(huì )使用較少的能量，這是因為射頻功率較小時(shí)，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(huì )較低。盡管如此，頻率移位鍵控依然是首選的調變模式，這是因為它實(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(zhù)微芯(Microchip)所提供的整合型發(fā)射器，它在開(kāi)關(guān)鍵控調變下的傳輸速率為 10kbit/s,而在頻率移位鍵控調變下的傳輸速率則為100kbit/s.在這種情況下，當使用頻率移位鍵控調變時(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變，頻率移位鍵控調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(shí)。

無(wú)線(xiàn)能量采集傳感器在運作時(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模式(Low-power Shutdown Modes)來(lái)仔細的平衡啟動(dòng)周期(Active Periods)，進(jìn)而達成這個(gè)目的。根據此應用本身的響應時(shí)間，傳感器將會(huì )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(gè)主動(dòng)周期之間的時(shí)間越長(cháng)，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(xiàn)電傳送之間來(lái)擷取多個(gè)資料樣本。根據所擷取到的實(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)需要相對較大量的電流。

在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射配置上須要特別注意一些事項，像是振幅或頻率調變、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(xiàn)的功率等參數，全都對整體的功率消耗有著(zhù)重大的影響。根據經(jīng)驗法則，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)系統必須經(jīng)過(guò)縝密的設計，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，當不使用時(shí)就必須能夠進(jìn)入低功耗的待機模式或暫時(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200kHz的最大頻率偏移，如此將能允許有著(zhù)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640μs傳送一個(gè)完整的資料封包。能量的