低功率能量采集技术相助　无线传感器寿命更持久

以PIC12LF1840T48A这款产品做为设计范例，石英振荡器的启动时间通常是650μs，而且当它启动石英振荡器时，会汲取大约5mA电流。启动时的功率消耗为能量1=5mA×3伏特×650μs=9.75微焦耳。

　　在范例中，实际的资料传输是包含16位元的前序编码、16位元的同步模式以及一个32位元的资料。基于选定的位元率100kbit/s，传输周期将是 640μs。就+0dB在868MHz的射频传输而言，采用频率移位键控调变的情况下，功率消耗是12mA，公式为能量2=12mA×3伏特 ×640μs=23.04微焦耳。假如使用简单的10kbit/s来进行传输，这时所使用的能量将会是能量2=7.5mA×3伏特×6.40μs=144 微焦耳，这项比较只是要勾勒出使用较高资料传输速率的重要性。

　　在传送出最后一个资料位元后，这款PIC12F1840T48A发射器将会自动进入逾时（Timeout）并回復到低功率的停机状态。这个逾时期间的最小值是2μs。这将导致额外的功率消耗为能量3=12mA×3伏特×2μs=72微焦耳。因此，传输一个资料封包所汲取的总能量为：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。

　　一个微型的太阳能电池可以产生的输出电流为4.5μA@3伏特；然而，如此一来该电池将势必启动长达多秒，才能够得到足够的能量来供应一个资料传输。举例而言，使用一个低成本的太阳能电池可以产生3伏特与6mA，而这仅能产生如下的能量：3伏特×40μA=140微瓦。我们现在可以计算看看需要多长时间来收集传送一个单一资料传输所需的能量：时间=104.79微焦耳/140微瓦=0.74秒。

　　这意味这个传感器单元在两个连续的资料传输之间，必须等待大约小于1秒的时间。另外也必须要考虑到的是，上述的计算是基于太阳能电池有着无止境的恒常光源。当然，对于大多数一般的情况而言，这并不是真实的情况，因为主要的能量来源是自然光，而这是仅在白天才有的。在这种情况下，上述的计算必须予以扩展，也就是它必须考虑到在白天的时候，采集系统必须储存能量以供夜间在没有自然光线时所用。此外，由实际的传感器在测量时所需的能量，并没有被计算在这个范例中。

　　能源采集解决方案助阵　传感器实用性大跃升

　　根据实际的系统需求规格，现在能量采集可以有多种能量储存的方式，例如采集能量到超级电容与NiMH可充电式电池中，可利用从太阳能电池进行涓流充电，所以并不须要使用充电稳压器。

　　在某些情况下，当主要的能量来源（如光线与热能）是可持续不断供应，而且所产生的能量是足够供给无线传感器的线路使用时，则此时就毋须把能量存到个别的元件上。当然的，这个选项的适用性是非常有限的。

　　当设计人员在开发低功率无线传感器节点时，使用能量采集这种解决方案的主要好处并不在于这种无线解决方案可节省单位成本，而是在于部署与维护这个无线传感器系统时的成本可大幅节省。

　　试想，有多少次维护人员必须在凌晨一点钟，爬到梯子上更换烟雾侦测器里的电池呢？这种在监控以及更换无线传感器网络电池的维护成本，很轻易的就会超过每单位所节省的成本，尤其是当无线传感器系统是被安装在偏远或是难以到达的地区，此一效果更为显着。

　　在须进行定期维护服务时，无线系统的大小（传感器的数目）也会成为主要的考量因素。

　　能量采集技术可收集「免费」能量并储存这个能量，以供真正需要时使用，而不是针对无线系统的功率使用量处处受限，以保证有着5年以上的电池寿命，让客户在这期间不须要更换电池。

　　能量采集型无线传感器节点现在已可被设计成更具有价格竞争力的产品。值得注意的是，如果该项业务并不须支援如ZigBee或无线区域网络（Wi-Fi）等较复杂的无线网络标准时，大多数的新式无线传感器设计，甚至不需要电池，即可从光线、无线电波、机械能及热能等不同的主要能量来源来撷取能量。

　　在正常情况下，一个能量采集型低功率无线传感器，几乎是可以无止境持续运作，而且绝对不需要任何人类的干预，这类型的产品将能够显着节省维护成本，特别是当此一传感器是被装置放在人类很难或是根本不可能进去的地方时。系统开发人员透过更加审慎地选择通讯协定、资料的传输率，以及更好的利用新型射频元件的电源管理特性，将可为用户大幅降低整体功率需求，进而降低无线传感器解决方案的成本。

　　（本文作者皆任职于微芯）