超低功耗技術(shù)助臂力 無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路實(shí)現自主遠端監控
加入技術(shù)交流群
無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路系由數十至數千個(gè)小型感測器所組成，透過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式和彼此及中央系統進(jìn)行衡量、計算與溝通等功能，是近期電子領(lǐng)域最具潛力的技術(shù)之一。無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路的個(gè)別感測器或節點(diǎn)只耗費極少的電力，且可收集周遭能源再使用，因此安裝時(shí)無(wú)需昂貴的有線(xiàn)基礎架構，亦可運作多年不須維護。這些系統既小巧又低價(jià)，稱(chēng)為「黏貼式」感測器，以強調安裝相當簡(jiǎn)便。
無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路包括數十、數百甚至是數千個(gè)節點(diǎn)，可打造平價(jià)多點(diǎn)感測，突破過(guò)往高價(jià)的障礙，讓低成本、高效能的動(dòng)態(tài)控制技術(shù)得以實(shí)現。舉例而言，食品倉庫等大型建筑物可設置眾多無(wú)線(xiàn)恒溫器，監控溫度與濕度，再回報至中央系統，以便動(dòng)態(tài)調整氣流與冷卻效果，確保狀態(tài)一致，將損害降至最低。
感測器可以安裝在各種特殊位置，如貨架底下、箱柜底部，甚至是食品本身，以便更準確地測量狀態(tài)變化。這個(gè)案例突顯出無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路應用范圍廣泛，如工業(yè)控制或暖通空調等一向都仰賴(lài)感測器的技術(shù)。但隨著(zhù)感測節點(diǎn)種類(lèi)增加，新型應用也會(huì )誕生，如近身通訊(BAN)可監控健康；農業(yè)網(wǎng)路協(xié)助栽種谷物；環(huán)境網(wǎng)路協(xié)助降低污染、地震警示、避免山林大火擴散等。
智慧電網(wǎng)為分散式智慧應用先鋒
分散式感測技術(shù)的一大應用在于電力產(chǎn)業(yè)，藉由不斷尋找新方式來(lái)測量整個(gè)電網(wǎng)內的電力流程，并溝通相關(guān)資訊，以提高服務(wù)效能及可靠性。邁向智慧電網(wǎng)后，不僅能改善服務(wù)品質(zhì)，亦可透過(guò)改良基礎架構維護與了解使用模式，降低各項成本。
從電力生產(chǎn)到傳送的階段都能因遠端感測裝置獲益，如發(fā)電機、高壓電傳輸、變電所、路邊電線(xiàn)、變壓器，以及家庭、工廠(chǎng)、辦公大樓等每個(gè)使用點(diǎn)(圖1)。這些位置的感測器會(huì )偵測使用模式，并回報至中央系統，協(xié)助電網(wǎng)自行微調，既可滿(mǎn)足需求，又避免因過(guò)載而斷電與縮短設備壽命。若要整合分散式電力來(lái)源，如太陽(yáng)能、風(fēng)力、地熱等，電網(wǎng)智慧化亦不可或缺。
圖1 智慧電網(wǎng)延伸智慧與全方向通訊至整體供電系統，建立更可靠且更高效能的用電環(huán)境。
為讓不具智慧的設備溝通，相關(guān)發(fā)展包括智慧家庭、智慧工廠(chǎng)及統稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念，但無(wú)論名稱(chēng)或主要使用領(lǐng)域為何，這些形式的分散式智慧都將創(chuàng )造新型應用，提高便利性與產(chǎn)能。
在智慧電網(wǎng)內，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)只負責部分分散式智慧，因為許多感測器仍將使用有線(xiàn)資料網(wǎng)路或電線(xiàn)本身，做為實(shí)體網(wǎng)路媒介，不過(guò)很重要的一點(diǎn)是，電力公司已開(kāi)始采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳遞各項測量數據。
建置無(wú)線(xiàn)智慧電表系統 無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路擔當重任
這幾年來(lái)，公用事業(yè)逐漸汰換傳統機械電表，改用可無(wú)線(xiàn)讀取的數位電表，至少可節省每月派人抄寫(xiě)數據的成本。如今，只須經(jīng)過(guò)讀取裝置即可取得讀數，大大減少統計時(shí)間。更復雜的電表能涵蓋更廣大區域，藉由搜集和傳送資料，協(xié)助公用事業(yè)估計需求變化，并提高服務(wù)效能。
過(guò)往為無(wú)線(xiàn)公用事業(yè)收費表所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，今日已應用于新世代元件，因為耗電更少，故適用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路感測節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路運用這些解決方案后，有助于推廣智慧技術(shù)深入住家、辦公室、工廠(chǎng)、農莊、休憩區、自然區等，任何地區若須要收集資料，協(xié)助人們了解與控制情況，都很適合。
超低功耗為無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路關(guān)鍵
設計遠距無(wú)線(xiàn)感測裝置時(shí)，必須在多種系統要求之間求取平衡，包括元件的尺寸、成本、貨源可靠性，也得設計相關(guān)的支援工具和軟體資料庫。然而對于遠距感測節點(diǎn)而言，最根本的要素仍是超低功耗元件，若無(wú)超低功耗的微控制器(MCU)、記憶體、感測器、收發(fā)器及其他系統功能，遠距無(wú)線(xiàn)感測裝置就無(wú)法達成平價(jià)建置的目標。此外，能夠收集與儲存周遭光源、振動(dòng)或熱能的技術(shù)，也是這些裝置與無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路成敗的關(guān)鍵。
任何測量系統的核心均為微控制器，其負責計算與控制功能；無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)需要超低功耗微處理器(MPU)，在超過(guò)99%的時(shí)間內維持休眠狀態(tài)，以節省用電?；顒?dòng)周期則包括迅速復蘇、有效率地執行測量、通訊及控制功能，再進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于感測器可能應用種類(lèi)眾多，微控制器必須包括足夠的周邊功能，才可以保持彈性，同時(shí)關(guān)閉未使用功能以減少用電量。另一方面，微控制器軟體編寫(xiě)時(shí)，必須將運作降至最低，并善用裝置內建的各種節能措施。
其他系統元件設計時(shí)，也必須仿照微控制器，在運作時(shí)把功耗降至最低，記憶體大小必須足以?xún)Υ娉淌胶唾Y料，速度也得夠快，才能在微控制器蘇醒時(shí)，支援短暫的活動(dòng)周期；但記憶體也必須設計節能讀寫(xiě)功能，并在休眠周期保留儲存資料時(shí)，避免電力消耗。
資料轉換器速度必須夠快，以支援系統輸入及輸出，但只能消耗必要能源；超低功耗發(fā)送器則須能快速開(kāi)關(guān)，在活動(dòng)周期內收發(fā)短脈沖資料(Short Burst of Data)，發(fā)送范圍也得夠廣，符合網(wǎng)路需求，且可能要彈性支援多種傳輸格式。依據網(wǎng)路需求而異，節點(diǎn)也可能得接收資料，因此在節省用電上的考量也略有不同。
供電子系統設計對無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)極為重要。電源無(wú)論來(lái)自太陽(yáng)能板、熱能、壓電轉換器或其他裝置，都必須有線(xiàn)路支援，即使周遭條件不穩定，其設計應仍可達到最高的能源采集效果。能源無(wú)論儲存在充電電池或超級電容器內，都必須謹慎管理，才可達到能源優(yōu)化，并滿(mǎn)足所需。感測溫度、電流、化學(xué)物質(zhì)或其他環(huán)境條件的元件也得夠敏感，才可掌握正確讀數，但又不耗費太多電。這些元件若經(jīng)過(guò)慎選，在功能性與低功耗之間求取平衡，感測節點(diǎn)應可自主運作多年無(wú)虞。
FRAM襄助 無(wú)線(xiàn)感測MCU更節能
無(wú)線(xiàn)感測解決方案中的微控制器架構另一項重點(diǎn)，在于整合鐵電隨機存取記憶體(FRAM)。FRAM與動(dòng)態(tài)隨機存取記憶體(DRAM)結構相同，但資料以結晶狀態(tài)儲存，而非電荷，因此FRAM的讀寫(xiě)存取和周期次數類(lèi)似DRAM，可是尺寸更小、體積更為壓縮；且因為FRAM為非揮發(fā)性記憶體(Non-volatile)，能在系統電源關(guān)閉時(shí)繼續保留資料；再對比非揮發(fā)性快閃(Flash)記憶體，FRAM速度較快、所需電力明顯較低、寫(xiě)入次數明顯較多。微控制器整合FRAM后，代表無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)等超低功耗系統的省電功能又邁進(jìn)一大步。
快閃記憶體的一大問(wèn)題在于寫(xiě)入所需電壓相對較高，達10?15V左右，因此必須使用電荷幫浦，每次運作也得耗費大量電力。另一方面，快閃記憶體寫(xiě)入前必須先清除，這個(gè)步驟增加寫(xiě)入的運作復雜度，干擾系統運作，系統其他區塊必須空著(zhù)等，也浪費時(shí)間與電力；再者，快閃記憶體寫(xiě)入上限約萬(wàn)次，對于常常得在一秒或數秒內更新資料數次，又得經(jīng)年累月反覆操作的系統來(lái)說(shuō)，這項上限絕對不夠。
盡管快閃記憶體常用于儲存程式，上述因素造成無(wú)法儲存資料，故得以發(fā)揮性靜態(tài)隨機存取記憶體(SRAM)區塊取代。當系統斷電時(shí)，資料須從SRAM寫(xiě)入快閃記憶體，才能進(jìn)行非揮發(fā)儲存，待通電時(shí)SRAM又得向快閃記憶體讀取資料。
FRAM為每位元均可獨立讀寫(xiě)的隨機存取記憶體，寫(xiě)入過(guò)程也僅需一個(gè)步驟，毋須分別清除。FRAM寫(xiě)入時(shí)所需電力僅1.5V，故不需電荷幫浦，也不會(huì )因清除資料而干擾系統，導致結果延遲?；谶@些理由，FRAM寫(xiě)入速度比快閃記憶體高出百倍，但寫(xiě)入所需電力最高可減少二百五十倍(表1)。此外，FRAM基本上并無(wú)寫(xiě)入上限，寫(xiě)入循環(huán)達一千零一十五倍以上，故可使用記憶體儲存資料，程式與資料記憶體可依應用所需結合或切割，資料在斷電時(shí)仍留存在記憶體內，故設計時(shí)不但毋須外加電荷幫浦，也不需大型電容器。對無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)等能源采集系統而言，FRAM的節能效果有助系統設計成功。
打造低成本無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn) 奈米電力能源采集扮要角
無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)設計若要成功，須自環(huán)境收集能源，能源子系統須優(yōu)化來(lái)自太陽(yáng)能、熱電、電磁、振動(dòng)的所有微小電力，再儲存于鋰離子電池或超級電容器等裝置內。
最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)能優(yōu)化直流電采集器取得的能源，如在各種光線(xiàn)下的太陽(yáng)能板，或是各種熱能條件下的熱電發(fā)電機，結果可能相當驚人：在小型太陽(yáng)能系統內，相較于線(xiàn)性穩壓器，使用這項裝置能增加可用能源達三成至七成。如此效率能幫助研發(fā)人員自小型太陽(yáng)能板及其他轉能器采集更多能源，以更低成本建置更小的感測節點(diǎn)。
無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路讓生活更智慧
如今智慧電網(wǎng)逐步形成，在家庭、辦公室、工廠(chǎng)，甚至是戶(hù)外，皆隨處可見(jiàn)智慧通訊設備，而無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路將延伸這些設備及其網(wǎng)絡(luò )，監控情況并回報至中央系統，大幅擴增管控區域。
這些無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路必須仰賴(lài)平價(jià)的超低功耗元件，藉此采集周遭能源、感測當地條件、發(fā)揮必要測量功能、定期透過(guò)無(wú)線(xiàn)途徑傳輸資訊。
晶片商運用過(guò)往無(wú)線(xiàn)公用事業(yè)計費表及其他應用裝置的經(jīng)驗，已開(kāi)發(fā)出這項技術(shù)，更推出各項產(chǎn)品，為諸多應用裝置建置黏貼式感測節點(diǎn)。拜半導體技術(shù)之賜，智慧網(wǎng)路正一步步擴大智慧生活的領(lǐng)域。
超級電容器相關(guān)文章:超級電容器原理
評論