讓綠色創(chuàng )意變成現實(shí)

摘要：節能浪潮正在席卷世界各地，大眾越來(lái)越關(guān)心電子產(chǎn)品的節能問(wèn)題。本文介紹了部分企業(yè)和設計者的新產(chǎn)品或創(chuàng )意。
關(guān)鍵詞：可再生能源；風(fēng)能；太陽(yáng)能；污染；監控

太陽(yáng)能、風(fēng)能成為半導體廠(chǎng)商關(guān)心的熱點(diǎn)

　　電源鏈包括三方面：發(fā)電、傳輸和消費（如圖1）。在發(fā)電環(huán)節，風(fēng)能和太陽(yáng)能成為半導體廠(chǎng)商關(guān)心的熱點(diǎn)。例如，英飛凌公司針對可再生能源使用方面主要方案是風(fēng)能和太陽(yáng)能，像EmCon二極管，TrenchStop IGBT和高功率BIP等。“由于封裝是實(shí)現大電流技術(shù)的關(guān)鍵之一，英飛凌的EconoPACK、IHM模塊、BIP模塊和堆棧等先進(jìn)封裝技術(shù)成為上述產(chǎn)品高效運作的有利保障。” 英飛凌科技香港公司家電及工業(yè)功率器件市場(chǎng)高級經(jīng)理馬國偉博士指出。

圖1 整個(gè)電源鏈（注：此圖由英飛凌公司提供）

　　美國國家半導體公司（NS）CEO（首席執行官）Brian Halla在2009新年致辭中特別提到了對新能源的重視，他表示除了推出各種高能效的模擬技術(shù)，NS還在為太陽(yáng)能推出高性能的模擬技術(shù)。以太陽(yáng)能發(fā)電系統為例，NS的SolarMagic技術(shù)可以將由問(wèn)題或被陰影遮蔽的電池板隔離，而無(wú)需取出串聯(lián)著(zhù)的同組電池板。這樣一來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電系統可以調節余下的電池板，繼續進(jìn)行高性能發(fā)電。

NS公司Brian Halla：SolarMagic技術(shù)可以將由問(wèn)題或被陰影遮蔽的電池板隔離

Freescale“走進(jìn)綠色”北美十佳作品

　　為了支持綠色設計，嵌入式控制器的領(lǐng)軍廠(chǎng)商Freescale公司在2008年舉辦了北美和中國等國家和地區的“2008 FTF國際設計應用大賽”，主題是：如何把綠色工程最佳地應用于現有技術(shù)。以下介紹該公司北美地區的10個(gè)入圍決賽的項目，其中有4個(gè)項目團隊來(lái)自大學(xué)學(xué)生,排名不分先后。

凈水分流器

　　凈水分流器是一種保護水資源的簡(jiǎn)單創(chuàng )意，在正常情況下，水是通過(guò)處理系統進(jìn)行循環(huán)，而不再服務(wù)于其他用途。實(shí)質(zhì)上，系統使用戶(hù)可以從水龍頭中接到熱水，而熱水通常是順著(zhù)水管向下流，然后把它分流到盥洗室的貯水槽。

　　凈水分流器由位于加拿大安大略倫敦的OES公司的Mark Donkers提交。凈水分流器材料單（BOM）包括：

　　·操作員界面；

　　·雙渠道水分流器；

　　·貯水槽監視器；

　　·單渠道水分流器。

　　每個(gè)模塊都通過(guò)與執行所有邏輯功能的8位MC9S08GT微控制器（MCU）相集成的MC13211 2.4GHz RF收發(fā)器系統級封裝（SiP）進(jìn)行通信。系統自動(dòng)把收集來(lái)的水從貯水槽分流到盥洗室槽，以沖洗廁所。

數字太陽(yáng)能蒸餾器

　　用太陽(yáng)能從污水中提取可飲用水并不是大部分人們所認為的“高科技”。蒸餾器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)頂部為玻璃的盒子，可以收集太陽(yáng)能蒸發(fā)的冷凝蒸氣。然而，數字太陽(yáng)能蒸餾器并不是把可再利用的水收集在壇子或瓶子中，而是智能地在恰當的時(shí)間把水分配到需要的地方。

照片2 美國2008FTF上展示的數字太陽(yáng)能整流器

　　數字太陽(yáng)能蒸餾器由墨西哥圣路易斯波托西市的Jose Luis Rojas提交，它具有額外的傳感器技術(shù)，可以估計一天的飲用水生產(chǎn)。如果把天氣變量編程到MCU（如太陽(yáng)光的預計小時(shí)數）中，數字太陽(yáng)能蒸餾器還可以估計每周和每月的用水總量。BOM（材料清單）包括：

　　·MCF51QE128—Flexis 32位 MCU；

　　·MC13203—用于ZigBee應用的2.4 GHz RF 收發(fā)器；

　　·MPXV5004—集成的壓力傳感器；

　　·MC13213—帶有MC9S08GT 8位的MCU 2.4 GHz RF收發(fā)器SiP。

　　數字太陽(yáng)能蒸餾器對發(fā)展中國家尤其有用，因為這些地方的飲用水和水管理系統的獲取可能會(huì )有一定的限制,該產(chǎn)品采用低成本組件設計，是一個(gè)誘人的方案。

用于溫室自動(dòng)化的基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　溫室管理涉及對不同單元的持續監視和激活，為植物生長(cháng)維持一個(gè)適宜的環(huán)境。當用人工完成這些任務(wù)時(shí)，不但耗時(shí)，而且對理想的生長(cháng)環(huán)境不利。這個(gè)項目建議采用支持無(wú)線(xiàn)的自動(dòng)系統，管理灌溉系統、施肥、CO2注入、加熱和冷卻系統、輔助照明和其他功能。

　　基于ZigBee的自動(dòng)化系統由墨西哥托盧卡市CODE Ingenieria SA de CV的Fernando Gasca等5人提交，旨在讓每個(gè)溫室形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)溫室有4個(gè)網(wǎng)絡(luò )單元：

　　·對接器件，采用MCF5208 ColdFire MCU執行大部分處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò )配置程序。如果需要范圍擴展器，對接可作為ZigBee路由器使用；

　　·遙控，具有圖形LCD和電容觸摸袖珍鍵盤(pán)控制；

　　·傳感器節點(diǎn)，具有默認的板內溫度、濕度和光傳感器及用于客戶(hù)傳感器的額外模數輸入；

　　·制動(dòng)器節點(diǎn)，具有板內鎖定電源繼電器，為各種單元供電，如灌溉、CO2注入、加熱、照明等。

　　網(wǎng)絡(luò )架構遵循星形拓撲，每個(gè)單元均采用一個(gè)帶有BeeStack ZigBee協(xié)議堆棧的2.4 GHz MC13213 RF收發(fā)器，用于無(wú)線(xiàn)通信。

風(fēng)輪機活動(dòng)控制系統

　　作為一種替代能源，風(fēng)力是一種更為環(huán)境友好的選擇，它能夠在控制污染的同時(shí)，實(shí)現可持續經(jīng)濟發(fā)展。為了最大限度地利用風(fēng)力發(fā)電，水平軸風(fēng)輪機的電子控制系統可以確保在任何時(shí)間的適當校正風(fēng)力及正確間距值的維持，即便是在不斷位移的條件下。

　　風(fēng)輪機激活控制系統由墨西哥奇瓦瓦市蒙特雷技術(shù)大學(xué)的Oscar Roberto Salinas等5名同學(xué)提交，包括下列BOM：

　　·Flexis 32位 MCF51QE128 MCU；

　　·3個(gè)MMA7260Q 加速計；

　　·8個(gè)MPXV5004G壓力傳感器。

　　該系統旨在監視風(fēng)速和風(fēng)向，并相應地連續調節渦輪機襯片和葉片間距。舉例來(lái)說(shuō)，系統不僅處理當前風(fēng)向，而且也處理以前風(fēng)向，以預測下一刻的風(fēng)向。這種檢測實(shí)現了方位的平穩和及時(shí)的更改。相似流程可用于調節轉子葉片的間距。

日光效率探測儀

　　日光效率探測儀提供了一種監視PV（光電）矩陣中每個(gè)PV模塊效率的方式，確保整個(gè)系統以最高性能水平運行，從而消除了查找故障PV模塊的昂貴而耗時(shí)的人工檢測。

　　系統由美國佛羅里達州New Port Richey的FACTS Engineering的Thomas Moulton提交，每個(gè)PV模塊都與一個(gè)低成本8位MC9S08QG8 MCU相連。模塊由自己供電，QG8將采用集成的模數轉換器（ADC）監控模塊的電壓輸出，查找由于灰塵堆積、連接不良或模塊性能退化而導致的面板低效率。然后，QG8通過(guò)比較集成數據和歷史信息數據庫，驗證PV的狀態(tài)。

　　片上通用異步收發(fā)器（UART）被用來(lái)與多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中的MPC8313 PowerQUICC II微處理器交換數據。處理器將定期輪詢(xún)整個(gè)太陽(yáng)能矩陣中的每個(gè)QG8，以讀取其狀態(tài)，因此實(shí)現了對最小現場(chǎng)可替換單元層的矩陣性能的持續監控。

智能斯特林發(fā)電機

　　斯特林引擎是閉合循環(huán)加熱引擎，可用來(lái)為大量應用提供機械力或電動(dòng)力。從理論上說(shuō)，它能夠提供完美的效率，然而，事實(shí)證明很難實(shí)現。智能斯特林發(fā)電機由墨西哥Villa Cuauhtemoc市的Alejandro Macario提交，它利用熱力學(xué)原理、特殊磁矩陣及電子組件，來(lái)提高諸如便攜式發(fā)電機等應用的效率。

　　該項目的BOM包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 微控制器；

　　·MPC18730 電源管理 IC；

　　·MC33976 雙測量驅動(dòng)；

　　·MMA7260Q 加速計；

　　·MPXV5004G 壓力傳感器；

　　·5個(gè)溫度傳感器。

　　從根本上說(shuō)，這創(chuàng )造了一個(gè)能夠更有效發(fā)電的自由活塞斯特林引擎：

　　·使用磁力馬達，通過(guò)內部摩擦極大減少能量損失；

　　·采用Halbach矩陣，倍增線(xiàn)圈發(fā)電機的磁場(chǎng)；

　　·用靈活的8位MCU，通過(guò)電子方式控制引擎，來(lái)提高各個(gè)工作條件下的性能。

太陽(yáng)跟隨器

　　當太陽(yáng)光線(xiàn)以垂直角度照射在儀器表面時(shí)，太陽(yáng)能系統是最有效的，無(wú)論是PV模塊還是太陽(yáng)能收集器。電子太陽(yáng)能跟隨器采用垂直和水平制動(dòng)器，可以使PV矩陣或收集器隨太陽(yáng)移動(dòng)，以維持最大效率。

　　出生在阿根廷圣弗朗西斯科的阿根廷國家科技大學(xué)學(xué)生Pablo Di Guilio提交了一個(gè)簡(jiǎn)單、低功率太陽(yáng)能跟隨器的計劃。關(guān)鍵組件包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 MCU，為整個(gè)太陽(yáng)能電源系統計算最佳定位；

　　·定時(shí)器和日期時(shí)鐘；

　　·脈寬調制（PWM）制動(dòng)器控制。

　　該系統能夠把發(fā)電量提高35%，并且可以?xún)?yōu)化光纖太陽(yáng)能收集器提供的天然照明。

靈活的燃油引擎控制裝置

　　靈活的燃油引擎控制裝置（FFECU）為標準引擎控制裝置（ECU）增加了一些新功能。由哥倫比亞布卡拉曼加市ECATES21的Erwin Saavedra提交的這一項目通過(guò)以下特性增強ECU：

　　·幾乎可以擴展到任何規模內燃機的靈活性；

　　·能夠使用幾乎任何燃料，主要是與生物乙醇的結合；

　　·適應環(huán)境因素變化并調整不同引擎特性的能力，這要感謝神經(jīng)模糊（NF）算法。引擎型號數據庫被保存下來(lái)，為NF網(wǎng)絡(luò )提供初始參數。

　　FFECU由Flexis 32位MCF51QE128微控制器控制，它集傳感器、驅動(dòng)器和其他離散組件于一身。整個(gè)解決方案包括：

　　·通用閉環(huán)控制算法，基于氧氣傳感器信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調節；

　　·基于加速計的爆震探測儀；

　　·自適應參數的外部存儲器；

　　·參數輸入的圖形用戶(hù)界面。

　　目的是創(chuàng )建一個(gè)低成本自適應模塊，該模塊可以用現有引擎進(jìn)行翻新，盡管該引擎可能需要為適應乙醇操作而進(jìn)行一些修改，如鍍鎳。

節油型汽車(chē)噴射系統

　　引擎爆震雖然只是不連續的燃油燃燒，但實(shí)際上，它可以給引擎帶來(lái)?yè)p壞。通過(guò)把水注入進(jìn)氣口來(lái)冷卻燃燒室，可以緩解這一情況。注水系統的使用雖然有一段時(shí)間，但該項目卻另辟溪徑。

　　北佛羅里達大學(xué)學(xué)生團隊Kelvin LeBeaux、Harold Rivera和Dangkhoa Ly提交的這一系統不僅允許司機用水代替20%甚至更多的燃油，而且還實(shí)現了對幾種不同流體組合的精確控制，以決定最有效的結果。系統由16位S12XE MCU控制，采用ADC轉換來(lái)自系統壓力傳感器、用于中間存儲和CAN自動(dòng)輪詢(xún)的XGATE協(xié)處理器、串行通信接口（SCI）以及串行外設接口（SPI）端口的模擬信號。

　　該噴射系統有助于提高燃油里程、減少溫室氣體排放、減少引擎內的碳堆積。

靈活的能源管理和自動(dòng)化系統

　　靈活的能源管理和自動(dòng)化系統（FEMAS）是家庭自動(dòng)化和家庭能源管理解決方案的結合，它把熟悉的光開(kāi)關(guān)與插座更換和中央控制器結合起來(lái)。它采用專(zhuān)用的IEEE 802.15.4協(xié)議，實(shí)現照明和設備的自動(dòng)化及能源使用的監視。

　　美國北卡羅來(lái)納州卡雷市Triangle Advanced Design and Automation的Charles Lord提交的這一系統的核心是Flexis 8位MC9S08JM60 USB微控制器，它能夠在無(wú)需主機PC交互的情況下，執行所有日常功能。系統本身可以輕松升級到更強大的Flexis器件，即兼容引腳的MCF51JM128 ColdFire嵌入式控制器，以提供更多的計算能力。

　　此外，FEMAS還包括提出成本節省建議的PC軟件，包括降低燈泡瓦數、減少電路、關(guān)閉不用或不必要的電路等，使它成為一個(gè)完整的家庭能源管理系統。

軟硬件協(xié)作實(shí)現綠色平臺

　　軟件廠(chǎng)商也十分關(guān)注環(huán)保，為綠色創(chuàng )意搭建平臺。例如，2008年，微軟“創(chuàng )新杯”（Imagine Cup）全球學(xué)生大賽的主題是“科技可以實(shí)現全球的可持續發(fā)展”。北京郵電大學(xué)Wings團隊獲得了嵌入式開(kāi)發(fā)項目全球第二名的佳績(jì)。作品的主要創(chuàng )意是鑒于海洋石油污染已經(jīng)成為“海洋污染超級殺手”，在對青島國家海洋局走訪(fǎng)和調研之后，學(xué)生們開(kāi)發(fā)了此系統。

照片3 北郵Wings團隊在微軟“創(chuàng )新杯”大賽中獲獎作品ppt封面：AquaMarine石油污染實(shí)時(shí)監控分布式系統

　　AquaMarine是一個(gè)對石油污染實(shí)時(shí)監控的分布式系統，主要分為數據采集、數據傳輸和數據處理。該項目將數據采集部分嵌入到海洋浮標中，從結點(diǎn)有兩類(lèi)傳感器，第一類(lèi)傳感器是判斷石油污染發(fā)生的，主要是透光度傳感器，紅外傳感器。還有預測未來(lái)的石油污染的狀況的傳感器，主要有風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，還有水流速傳感器，采集到的數據傳到主結點(diǎn)上；主結點(diǎn)通過(guò)內嵌的GPRS與陸地上的處理中心進(jìn)行數據傳輸，數據處理中心通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件進(jìn)行處理。該項目有專(zhuān)門(mén)的處理數據的軟件。在系統的具體開(kāi)發(fā)和實(shí)施過(guò)程中，利用了WSN（無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )）、專(zhuān)家系統、數學(xué)模型預測分析等技術(shù)和數據處理方法，保證了系統的有效性和可靠性，并將整套系統維持在一個(gè)較低的成本上。

　　AquaMarine主要采用的硬件是Atmel AVR系列單片機和基于x86架構的嵌入式設備eBox-4300。單片機利用WinAVR軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C。eBox-4300帶有微軟的Windows Embedded CE 6.0操作系統，Wings隊通過(guò)重新編譯和燒錄，將符合最小要求的系統寫(xiě)入到eBox當中，從而對其傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行控制。一方面，他們利用eBox的處理能力和Windows Embedded CE強大功能相結合，進(jìn)行復雜的數學(xué)運算；另一方面，他們利用CE中的串口接口和無(wú)線(xiàn)模塊之間進(jìn)行通信，進(jìn)行數據收發(fā)。

　　可見(jiàn)，越來(lái)越多的電子企業(yè)和設計者正以創(chuàng )新節能為己任，為保護綠色地球、創(chuàng )造美好明天而貢獻綿薄之力。

參考文獻：

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