智能環境代表了家庭自動化和樓宇自動化的未來。各種傳感器

、控kong製zhi器qi和he執zhi行xing器qi分fen布bu在zai整zheng個ge環huan境jing中zhong

，並bing發fa揮hui多duo種zhong作zuo用yong。這zhe種zhong分fen布bu也ye帶dai來lai了le一yi些xie技ji術shu挑tiao戰zhan。例li如ru
，每mei個ge傳chuan感gan器qi都dou需xu要yao有you自zi己ji的de電dian源yuan。監jian視shi電dian池chi的de低di電dian量liang狀zhuang態tai是shi一yi項xiang標biao準zhun操cao作zuo。但dan是shi，更geng換huan電dian池chi需xu要yao人ren工gong輔fu助zhu。本ben文wen提ti出chu了le一yi種zhong低di功gong耗hao能neng量liang采cai集ji傳chuan感gan器qi的de實shi現xian方fang案an。當dang傳chuan感gan器qi需xu要yao發fa送song大da量liang數shu據ju或huo執zhi行xing連lian續xu測ce量liang時shi，能neng量liang采cai集ji供gong電dian的de無wu線xian傳chuan感gan器qi更geng為wei適shi合he。采cai用yong能neng量liang采cai集ji供gong電dian的de傳chuan感gan器qi可ke在zai數shu年nian內nei完wan全quan免mian維wei護hu，而er電dian池chi供gong電dian的de傳chuan感gan器qi在zai幾ji個ge月yue內nei就jiu會hui耗hao盡jin電dian量liang。

　　

如(ru)今(jin)的(de)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)五(wu)花(hua)八(ba)門(men)。但(dan)是(shi)
，此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)的(de)總(zong)成(cheng)本(ben)不(bu)僅(jin)僅(jin)取(qu)決(jue)於(yu)硬(ying)件(jian)。實(shi)施(shi)不(bu)同(tong)行(xing)業(ye)標(biao)準(zhun)的(de)成(cheng)本(ben)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)總(zong)成(cheng)本(ben)。這(zhe)不(bu)僅(jin)包(bao)括(kuo)附(fu)加(jia)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)要(yao)求(qiu)
，還(hai)包(bao)括(kuo)不(bu)甚(shen)明(ming)顯(xian)的(de)項(xiang)目(mu)，如(ru)認(ren)證(zheng)(例如 ZigBee®和 Bluetooth® 4.0)
，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)涉(she)及(ji)版(ban)稅(shui)。本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)些(xie)簡(jian)單(dan)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)技(ji)術(shu)，可(ke)用(yong)於(yu)實(shi)現(xian)免(mian)維(wei)護(hu)的(de)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)。此(ci)外(wai)，本(ben)文(wen)還(hai)將(jiang)展(zhan)示(shi)如(ru)何(he)在(zai)提(ti)供(gong)穩(wen)固(gu)性(xing)能(neng)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)較(jiao)低(di)的(de)總(zong)成(cheng)本(ben)

，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)經(jing)濟(ji)高(gao)效(xiao)的(de)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)領(ling)域(yu)。

　　

　

能量采集係統的基本原理是存儲能量(無論是使用鎳氫電池之類的可充電電池還是使用超級電容)供將來需要時使用。除此之外，能量采集無線傳感器基本上與電池供電的傳感器相同。主要的區別在於(非充電式)dianchigongdiandewuxianchuanganqishejiweishiyongdianchigongzuotedingyiduanshijian。nengliangcaijichuanganqijiediandeyoushishi，keyiwuxiancaijinenglianggongjianglaishiyong。tongchangqingkuangxia，tanenggoucaijidenengliangfeichangyouxian(受價格和/或物理尺寸限製)。因此
，必須對無線發送器和傳感器本身的能源使用加以平衡
，以減少對采集能量的使用。

　　

　　

目前
，市場上有多種不同的能量采集設備可選。最常用的設備為太陽能電池板。它有著不同的尺寸，從串聯和/或並聯多個太陽能電池的大型電池板
，到用於手持式計算器或玩具的超小型電池。另一種類型的設備是 RF 采集設備。此設備使用天線接收無線電波，然後將其轉換為電能。這是一種非常特別的能量采集設備，因為它需要高 RF 能量。機電能量采

　　

集設備通常在電感線圈附近使用磁性運動部件。熱電能量采集設備可通過溫度梯度產生少量電能。這類熱能設備依賴於塞貝克效應。

　　

　　

當添加無線功能時，一些缺乏經驗的用戶往往隻會想到實施 RF 行業標準，如 ZigBee或 Bluetooth。但(dan)是(shi)，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)
，實(shi)施(shi)特(te)定(ding)標(biao)準(zhun)可(ke)能(neng)是(shi)實(shi)際(ji)要(yao)求(qiu)，也(ye)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，僅(jin)當(dang)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)必(bi)須(xu)與(yu)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)現(xian)有(you)產(chan)品(pin)兼(jian)容(rong)時(shi)，才(cai)需(xu)要(yao)實(shi)施(shi)特(te)定(ding)標(biao)準(zhun)。選(xuan)擇(ze)使(shi)產(chan)品(pin)與(yu)其(qi)他(ta)產(chan)品(pin)(由其他公司銷售)兼容，實際上是一個更複雜的商業決策。需要權衡是否提供兼容性。此外，在一些情況下必須提供兼容性(如用於手機的無線耳機)，而另外一些情況下無法添加兼容性或者添加成本過高(如簡單的IR 遙控)。

　　

　　

很多時候，當考慮實施特定 RF 標準時
，設計人員僅看到總體硬件成本。這通常是考慮硬件解決方案時的主要出發點。任何 RF 發送器(正式名稱為“有意輻射體”)都需要認證。非 RF 發送器仍需要 FCC 或 CE 認證。但是
，其認證操作相對比較簡單且便宜。對於任何無線傳感器來說，FCC 認證都是不可避免的。因此，當比較不同的解決方案時，將不考慮這部分成本。

　　

根據實施的無線標準，總實施成本可能遠超最初預期的成本。實施特定標準的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格(年費)、標準合規性測試
、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項目。ZigBee 認證的成本約為 3000 meiyuan，erzhezhishirenzhengbenshendefeiyong。danshijishang

，zaishenqingrenzhengzhiqian
，haixuyaozhixingyixietedingdeyuceshibingpinggushebeishifounengtongguorenzheng。zhuanyongceshishebeidezujinweimeiyue 750 美元。

　　

初看之下，這些額外成本可能不是很高。但是

，多次采用特定標準需要支付會員費用。還可能需要支付版稅(每芯片)。RF 標準認證成本將始終轉換為額外的成本和延期
，直到產品發布。

　　

硬件本身的單位成本通常在 1 至 1.5 美元(1 萬件)範圍內。僅生產少量產品時
，上述所有成本都將影響單位總成本。如果我們僅考慮 10,000 美元的 FCC 認證成本

，那麼單位價格實際將翻一倍。RF 標準認證的成本(認證成本本身、預測試和 RF 測試設備)可以很容易超過 10,000 美元。

　　

　　

特定的無線標準需要使用專用芯片(如 IEEE 802.15.4)。但是，如果您隻需要進行單向通信，那麼簡單的 ISM 頻pin段duan發fa送song器qi就jiu完wan美mei適shi合he應ying用yong。但dan是shi，能neng量liang采cai集ji無wu線xian傳chuan感gan器qi節jie點dian還hai有you一yi些xie最zui低di要yao求qiu。建jian議yi采cai用yong高gao數shu據ju速su率lv。一yi般ban來lai說shuo，數shu據ju速su率lv越yue高gao，需xu要yao的de功gong率lv就jiu越yue多duo。但dan總zong數shu據ju包bao長chang度du會hui小xiao很hen多duo
，因yin此ci能neng量liang消xiao耗hao會hui降jiang低di。可ke以yi使shi用yong ASK(OOK)或 FSK 調製。ASK 調製(和 OOK)的能量消耗較低，因為在工作的某些時期 RF 功率較低(OOK 甚至具有完全不消耗 RF 功率的時期)。ASK 的總平均電流消耗會更低。不過，FSK 仍為首選，因為它可以達到更高的數據速率。例如，Microchip 的具有集成發送器的 PIC12LF1840T48A MCU 在 OOK 模式下支持 10 kbps，而在 FSK 模式下支持 100 kbps。在這種情況下，使用 FSK 調製時，數據發送可以快 10 倍。此外，從 RF 接收器的角度看，接收器接收和解碼 FSK 信號的效果要比 ASK 調製的 RF 好得多
，尤其是在較高數據速率的情況下。

　　

　　

無wu線xian能neng量liang采cai集ji傳chuan感gan器qi在zai工gong作zuo時shi需xu要yao盡jin可ke能neng減jian少shao功gong耗hao。這zhe可ke以yi通tong過guo仔zai細xi地di對dui設she備bei的de工gong作zuo周zhou期qi與yu低di功gong耗hao關guan斷duan模mo式shi進jin行xing平ping衡heng來lai實shi現xian。根gen據ju應ying用yong本ben身shen的de響xiang應ying時shi間jian，傳chuan感gan器qi需xu要yao頻pin繁fan或huo偶ou爾er發fa送song測ce量liang的de傳chuan感gan器qi信xin息xi。兩liang個ge工gong作zuo周zhou期qi之zhi間jian的de時shi間jian間jian隔ge越yue長chang
，平ping均jun功gong耗hao越yue低di
，實shi際ji使shi用yong的de能neng量liang就jiu越yue少shao。

　　

傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)能(neng)還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)兩(liang)次(ci)無(wu)線(xian)電(dian)傳(chuan)輸(shu)之(zhi)間(jian)捕(bu)捉(zhuo)多(duo)個(ge)數(shu)據(ju)采(cai)樣(yang)。根(gen)據(ju)捕(bu)捉(zhuo)的(de)實(shi)際(ji)物(wu)理(li)信(xin)息(xi)，可(ke)消(xiao)耗(hao)或(huo)多(duo)或(huo)少(shao)的(de)電(dian)流(liu)。典(dian)型(xing)示(shi)例(li)包(bao)括(kuo)運(yun)放(fang)和(he)橋(qiao)式(shi)稱(cheng)重(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)們(men)在(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)需(xu)要(yao)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)電(dian)流(liu)(相對於發送 RF 數據時的電流消耗)。

　　

對於實際的無線 RF 發送配置，需要特別注意。幅值或頻率調製、信息的發送速率(比特率和/或頻率偏差)以及天線的 RF 輸出功率等參數都對總功耗有很大影響。工作時間越短，平均功耗越低——這一經驗法則在這裏同樣適用。係統需要經過精心設計，以消除所有不必要的功耗，例如避免 LED 始終點亮。處理器必須盡可能長地處於低功耗狀態。板上的所有其他器件在未使用時都必須處於低功耗待機模式。

　　

這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元(yuan)在(zai)連(lian)續(xu)的(de)兩(liang)次(ci)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)之(zhi)間(jian)必(bi)須(xu)等(deng)待(dai)不(bu)到(dao)一(yi)秒(miao)的(de)時(shi)間(jian)。此(ci)外(wai)，還(hai)必(bi)須(xu)注(zhu)意(yi)，上(shang)述(shu)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)適(shi)用(yong)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)無(wu)限(xian)擁(yong)有(you)持(chi)續(xu)光(guang)源(yuan)的(de)情(qing)況(kuang)。當(dang)然(ran)，這(zhe)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)的(de)
，因(yin)為(wei)主(zhu)要(yao)能(neng)量(liang)來(lai)源(yuan)是(shi)白(bai)天(tian)才(cai)有(you)的(de)自(zi)然(ran)光(guang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，必(bi)須(xu)對(dui)計(ji)算(suan)進(jin)行(xing)擴(kuo)展(zhan)
，以(yi)考(kao)慮(lv)到(dao)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)在(zai)白(bai)天(tian)存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)供(gong)沒(mei)有(you)自(zi)然(ran)光(guang)的(de)夜(ye)晚(wan)使(shi)用(yong)。此(ci)外(wai)，本(ben)示(shi)例(li)中(zhong)未(wei)計(ji)算(suan)實(shi)際(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)。

　　

　　

根據實際的係統要求，實現能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括：

　　

- 將能量采集到超級電容中。

　　

- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進行涓流充電。無需任何充電穩壓器。另外，鎳氫可充電電池的成本非常低。

　　

- 直接由能量采集器供電。在主要的能量來源(如光或熱)連續可用並且生成的能量足以為無線傳感器電路供電的情況下
，無需將能量存儲到單獨的設備中。當然
，此選項的適用性非常有限。

　　

　　

當(dang)開(kai)發(fa)低(di)功(gong)耗(hao)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)時(shi)，使(shi)用(yong)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)主(zhu)要(yao)好(hao)處(chu)不(bu)是(shi)節(jie)省(sheng)無(wu)線(xian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)單(dan)位(wei)成(cheng)本(ben)

，而(er)是(shi)節(jie)省(sheng)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)部(bu)署(shu)和(he)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)。您(nin)曾(zeng)經(jing)有(you)多(duo)少(shao)次(ci)需(xu)要(yao)在(zai)淩(ling)晨(chen) 1 點(dian)爬(pa)梯(ti)子(zi)更(geng)換(huan)煙(yan)霧(wu)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)電(dian)池(chi)，監(jian)視(shi)和(he)更(geng)換(huan)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)電(dian)池(chi)的(de)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)大(da)大(da)高(gao)於(yu)設(she)備(bei)本(ben)身(shen)的(de)成(cheng)本(ben)
，尤(you)其(qi)是(shi)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)安(an)裝(zhuang)在(zai)遠(yuan)端(duan)或(huo)難(nan)以(yi)觸(chu)及(ji)的(de)區(qu)域(yu)時(shi)。當(dang)需(xu)要(yao)定(ding)期(qi)維(wei)護(hu)服(fu)務(wu)時(shi)
，無(wu)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)規(gui)模(mo)(傳感器數)也會成為一個較大因素。借助能量采集技術，我們可以采集“免費的”能量並存儲該能量以供確實需要時使用，而無需對無線係統的功耗施加明顯的限製即可確保 5 年以上的電池壽命，這樣客戶便不再需要更換電池。

　　

　　

現在能夠以更具競爭力的價格點設計能量采集無線傳感器節點
，尤其是業務上不需要支持某些更複雜的無線網絡標準(例如 ZigBee 或 Wi-Fi®)時。大多數新無線傳感器設計甚至不需要電池，而是可以從不同的主要能量來源(如光
、無線電波、機械能和熱能)采集能量。更多類型的能量采集源每天都在開發中(例如基於血糖的采集源)。

　　

在(zai)正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，低(di)功(gong)耗(hao)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)幾(ji)乎(hu)可(ke)無(wu)限(xian)期(qi)工(gong)作(zuo)
，並(bing)且(qie)從(cong)不(bu)需(xu)要(yao)任(ren)何(he)人(ren)工(gong)幹(gan)預(yu)。這(zhe)會(hui)是(shi)一(yi)個(ge)巨(ju)大(da)的(de)優(you)勢(shi)
，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)，尤(you)其(qi)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)位(wei)於(yu)難(nan)以(yi)或(huo)者(zhe)無(wu)法(fa)觸(chu)及(ji)的(de)位(wei)置(zhi)時(shi)。通(tong)過(guo)更(geng)加(jia)細(xi)心(xin)地(di)選(xuan)擇(ze)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)，並(bing)更(geng)好(hao)地(di)利(li)用(yong)新(xin)型(xing) RF 器件(如新的 PIC12F1840T48A)上的功耗管理功能，我們可以顯著降低總功率需求
，從而減少無線傳感器解決方案的成本。