低功率能量采集技術(shù)相助　無(wú)線(xiàn)傳感器壽命更持久

　　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。

　　圖1　有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)連接環(huán)境示意圖

　　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。能量的測量單位是焦耳（J），基本焦耳的計算公式為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)品做為設計范例，石英振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間通常是650μs，而且當它啟動(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(lái)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）并回復到低功率的停機狀態(tài)。這個(gè)逾時(shí)期間的最小值是2μs。這將導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(yáng)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(lái)該電池將勢必啟動(dòng)長(cháng)達多秒，才能夠得到足夠的能量來(lái)供應一個(gè)資料傳輸。舉例而言，使用一個(gè)低成本的太陽(yáng)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。我們現在可以計算看看需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)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，上述的計算是基于太陽(yáng)能電池有著(zhù)無(wú)止境的恒常光源。當然，對于大多數一般的情況而言，這并不是真實(shí)的情況，因為主要的能量來(lái)源是自然光，而這是僅在白天才有的。在這種情況下，上述的計算必須予以擴展，也就是它必須考慮到在白天的時(shí)候，采集系統必須儲存能量以供夜間在沒(méi)有自然光線(xiàn)時(shí)所用。此外，由實(shí)際的傳感器在測量時(shí)所需的能量，并沒(méi)有被計算在這個(gè)范例中。

　　能源采集解決方案助陣　傳感器實(shí)用性大躍升

　　根據實(shí)際的系統需求規格，現在能量采集可以有多種能量?jì)Υ娴姆绞?，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(yáng)能電池進(jìn)行涓流充電，所以并不須要使用充電穩壓器。

　　在某些情況下，當主要的能量來(lái)源（如光線(xiàn)與熱能）是可持續不斷供應，而且所產(chǎn)生的能量是足夠供給無(wú)線(xiàn)傳感器的線(xiàn)路使用時(shí)，則此時(shí)就毋須把能量存到個(gè)別的元件上。當然的，這個(gè)選項的適用性是非常有限的。

　　當設計人員在開(kāi)發(fā)低功率無(wú)線(xiàn)傳感器節點(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(wú)線(xiàn)解決方案可節省單位成本，而是在于部署與維護這個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器系統時(shí)的成本可大幅節省。

　　試想，有多少次維護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？這種在監控以及更換無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )電池的維護成本，很輕易的就會(huì )超過(guò)每單位所節省的成本，尤其是當無(wú)線(xiàn)傳感器系統是被安裝在偏遠或是難以到達的地區，此一效果更為顯著(zhù)。

　　在須進(jìn)行定期維護服務(wù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)系統的大?。▊鞲衅鞯臄的浚┮矔?huì )成為主要的考量因素。

　　能量采集技術(shù)可收集「免費」能量并儲存這個(gè)能量，以供真正需要時(shí)使用，而不是針對無(wú)線(xiàn)系統的功率使用量處處受限，以保證有著(zhù)5年以上的電池壽命，讓客戶(hù)在這期間不須要更換電池。

　　能量采集型無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)現在已可被設計成更具有價(jià)格競爭力的產(chǎn)品。值得注意的是，如果該項業(yè)務(wù)并不須支援如ZigBee或無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)絡(luò )（Wi-Fi）等較復雜的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準時(shí)，大多數的新式無(wú)線(xiàn)傳感器設計，甚至不需要電池，即可從光線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電波、機械能及熱能等不同的主要能量來(lái)源來(lái)擷取能量。

　　在正常情況下，一個(gè)能量采集型低功率無(wú)線(xiàn)傳感器，幾乎是可以無(wú)止境持續運作，而且絕對不需要任何人類(lèi)的干預，這類(lèi)型的產(chǎn)品將能夠顯著(zhù)節省維護成本，特別是當此一傳感器是被裝置放在人類(lèi)很難或是根本不可能進(jìn)去的地方時(shí)。系統開(kāi)發(fā)人員透過(guò)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(hù)大幅降低整體功率需求，進(jìn)而降低無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案的成本。

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