在建筑自動(dòng)化系統內節省能源的應用方案

鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調變轉換器、新式奈米耗能長(cháng)周期定時(shí)器均可在休眠周期內，維持極低用電量，讓無(wú)線(xiàn)建筑自動(dòng)化系統超越有線(xiàn)系統。

今日許多現代建筑自動(dòng)化系統皆仰賴(lài)無(wú)線(xiàn)連接，不僅可簡(jiǎn)化安裝程序，亦適合快速調整與擴張，不過(guò)省去線(xiàn)路的同時(shí)，設計師需要以電池供電，卻又因為得定期更換電池，影響整體系統成本。這些系統的難處在于打造高效能電源管理方案，除了延長(cháng)電池壽命，在攸關(guān)生命安全的應用中，更得確保運作穩定。

概述

根據2013年「市場(chǎng)與市場(chǎng)」預估及其他數據源，由于人們追求讓工作與生活空間變得更安全、更舒適、更有效率，全球建筑自動(dòng)化市場(chǎng)將在2018年增至近500億美元。

這塊市場(chǎng)擴張部分原因在于無(wú)線(xiàn)傳感器問(wèn)世，故可輕松安裝、擴大與調整，安裝成本一大部分在于人工架設線(xiàn)路與銅價(jià)上揚，無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化基礎架構可大幅壓低成本，卻也為系統擁有者增加一項長(cháng)期成本，因為沒(méi)有線(xiàn)路后，系統必須仰賴(lài)電池運作。

電池替換成本不一，且依據傳感器所在位置（如6公尺高的天花板或難以觸及地點(diǎn)），可能需要大量勞力。在理想世界中，電池在傳感器使用年限內永遠不必更換，但受限于電池化學(xué)反應老化或老舊傳感器耗電，這種想法不切實(shí)際，故多數無(wú)線(xiàn)建筑自動(dòng)化系統里，電池壽命5年為基本要求，10年至15年則較具優(yōu)勢。

減少能源損耗

設計師可透過(guò)多項領(lǐng)域，延長(cháng)電池替換期限，首先了解需要傳感器運作的射頻環(huán)境，通常是與其他傳感器共組成網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)狀結構中，部分傳感器為終端或中繼器。

由于射頻傳輸是傳感器最大耗能來(lái)源，此種配置可提高能源效能，藉由降低傳輸耗能與透過(guò)路由器重復訊息，可形成極低功率網(wǎng)絡(luò )，此種拓樸通常用于以IEEE 802.15.4為基礎的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，例如ZigBee或6LoWPAN。

在ZigBee等網(wǎng)狀結構中，如何同步是一項問(wèn)題，路由器節點(diǎn)必須隨時(shí)待命，若節點(diǎn)發(fā)出訊息，或是訊息送至節點(diǎn)，將會(huì )（先儲存）再轉發(fā)至其他可用節點(diǎn)。

在超低功率裝置內，休眠模式會(huì )大幅降低用電量，包括射頻接收器等裝置內多數區塊都暫停運作，此時(shí)路由器節點(diǎn)必須通電（例如使用交流電），以監控休眠節點(diǎn)在運作時(shí)發(fā)出的訊息，故用電量相當不對稱(chēng)，傳感器節點(diǎn)耗能極低，并長(cháng)期休眠，而路由器節點(diǎn)（也可能是傳感器）持續供電，并維持接收器運作。

若希望在超低功率網(wǎng)絡(luò )中，省略以線(xiàn)路供電的路由器，定時(shí)必須非常精準，但此舉可能提高每個(gè)節點(diǎn)的成本與復雜度，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )必須在極短時(shí)間內蘇醒、溝通、再次休眠，每次周期之間距離愈長(cháng)，定時(shí)需求就愈高，若網(wǎng)絡(luò )內某個(gè)節點(diǎn)未趕上同步，就得持續運作，直至下次蘇醒周期再重新同步，這種情況必須盡可能避免在電池供電網(wǎng)絡(luò )內發(fā)生。

在最實(shí)際的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，路由器持續由線(xiàn)路或以太網(wǎng)絡(luò )供電，而節點(diǎn)在電池供電情況下，必須盡可能提高效能，通常微控制器會(huì )關(guān)閉無(wú)線(xiàn)電及所有非必要裝置，而傳感器也將關(guān)閉所有模擬前端電子設備。

之后微控制器進(jìn)入低功率模式，仰賴(lài)定時(shí)器定期蘇醒、啟動(dòng)系統、傳送各項訊息，再進(jìn)入休眠模式。

工作周期將決定用電量，以下算式依據休眠與蘇醒的用電量，估算電池壽命運作時(shí)間（T，單位小時(shí)）取決于工作周期，由可用能源（EA，單位瓦時(shí)）除以用電量（P，單位瓦特），算式亦可進(jìn)一步擴大。

容量（C，單位安培－小時(shí)），VS與VE分別為放電起點(diǎn)與終點(diǎn)電壓，PW與PS分別為蘇醒周期與休眠周期的用電量（單位瓦特），D為蘇醒階段的工作周期（零至一）。而在使用年限超過(guò)五年的應用情況中，降額定值因子α則用來(lái)調整電池容量損耗；電源轉換器效能（eff）會(huì )影響表現，因此也得納入考慮，通常效能范圍介于80%（eff = 0.8）至95%（eff = 0.95）之間。

這項設計其中一部分會(huì )做電源來(lái)源的選擇，此電源必須在延續10年至20年后效能仍不會(huì )大幅衰減，以及在低功率條件下維持高效能的電源轉換器（如切換穩壓器），前者可選用鋰亞硫酸氯電池（Li/SOCl2），這種產(chǎn)品自一九七零年代問(wèn)世至今，電池壽命極長(cháng)（10年至25年以上），也應用在偏遠電表及其他電池供電無(wú)線(xiàn)系統中，一般電壓為3.6 V，且運作溫度范圍較大（–55°C至125°C）。

若使用單一鋰電池，傳感器節點(diǎn)設計可能讓輸出從3.0 V至3.6 V區間提高到5.0 V，或是使用TPS63001等升降壓轉換器，維持輸出在3.3 V，并在升降壓情況下最高提供800 mA。這項特點(diǎn)相當重要，因為射頻發(fā)送器可能需要大額瞬間電流，況且在休眠周期里，轉換器大多無(wú)負載，必須能自動(dòng)進(jìn)入脈沖頻率調變或其他脈沖省略技術(shù)，才能轉換電源。

微控制器即便進(jìn)入低功率模式，在休眠周期內仍會(huì )持續運作，也依然會(huì )造成能源損耗。但至少定時(shí)器必須隨主核心關(guān)閉，以節省能源。不過(guò)即使是這種配置，仍可能出現少量毫安，縱然是MSP430等頂尖低功率微控制器，在備用模式還是需要約0.3 μA的電流。

新式解決方案采用針對長(cháng)休眠期特制的定時(shí)裝置，德州儀器TPL5000具備可編程分配器，提供最高間隔64秒的蘇醒脈沖，運作時(shí)用電量?jì)H30 nA，在極長(cháng)休眠周期下，最多能為電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器延長(cháng)兩年使用年限。（請見(jiàn)下圖）

結論

隨著(zhù)電池供電的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )日漸增加，安裝者與擁有者希望延長(cháng)電池壽命，甚至在網(wǎng)絡(luò )使用年限（25年以上）內，完全不需更換電池，鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調變轉換器、新式奈米耗能長(cháng)周期定時(shí)器均可在休眠周期內，維持極低用電量，讓無(wú)線(xiàn)建筑自動(dòng)化系統超越有線(xiàn)系統。