在建筑自動化系統(tǒng)內(nèi)節(jié)省能源

鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調(diào)變轉(zhuǎn)換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內(nèi)，維持極低用電量，讓無線建筑自動化系統(tǒng)超越有線系統(tǒng)。

今日許多現(xiàn)代建筑自動化系統(tǒng)皆仰賴無線連接，不僅可簡化安裝程序，亦適合快速調(diào)整與擴張，不過省去線路的同時，設(shè)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(tǒng)成本。這些系統(tǒng)的難處在于打造高效能電源管理方案，除了延長電池壽命，在攸關(guān)生命安全的應(yīng)用中，更得確保運作穩(wěn)定。

概述

根據(jù)2013年「市場與市場」預(yù)估及其他數(shù)據(jù)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，全球建筑自動化市場將在2018年增至近500億美元。

這塊市場擴張部分原因在于無線傳感器問世，故可輕松安裝、擴大與調(diào)整，安裝成本一大部分在于人工架設(shè)線路與銅價上揚，無線自動化基礎(chǔ)架構(gòu)可大幅壓低成本，卻也為系統(tǒng)擁有者增加一項長期成本，因為沒有線路后，系統(tǒng)必須仰賴電池運作。

電池替換成本不一，且依據(jù)傳感器所在位置(如6公尺高的天花板或難以觸及地點)，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(nèi)永遠不必更換，但受限于電池化學(xué)反應(yīng)老化或老舊傳感器耗電，這種想法不切實際，故多數(shù)無線建筑自動化系統(tǒng)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(shè)計師可透過多項領(lǐng)域，延長電池替換期限，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(jié)構(gòu)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源，此種配置可提高能源效能，藉由降低傳輸耗能與透過路由器重復(fù)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(chǔ)的無線網(wǎng)絡(luò)，例如ZigBee或6LoWPAN。

在ZigBee等網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，如何同步是一項問題，路由器節(jié)點必須隨時待命，若節(jié)點發(fā)出訊息，或是訊息送至節(jié)點，將會(先儲存)再轉(zhuǎn)發(fā)至其他可用節(jié)點。

在超低功率裝置內(nèi)，休眠模式會大幅降低用電量，包括射頻接收器等裝置內(nèi)多數(shù)區(qū)塊都暫停運作，此時路由器節(jié)點必須通電(例如使用交流電)，以監(jiān)控休眠節(jié)點在運作時發(fā)出的訊息，故用電量相當不對稱，傳感器節(jié)點耗能極低，并長期休眠，而路由器節(jié)點(也可能是傳感器)持續(xù)供電，并維持接收器運作。

若希望在超低功率網(wǎng)絡(luò)中，省略以線路供電的路由器，定時必須非常精準，但此舉可能提高每個節(jié)點的成本與復(fù)雜度，整個網(wǎng)絡(luò)必須在極短時間內(nèi)蘇醒、溝通、再次休眠，每次周期之間距離愈長，定時需求就愈高，若網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個節(jié)點未趕上同步，就得持續(xù)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(nèi)發(fā)生。

在最實際的無線網(wǎng)絡(luò)中，路由器持續(xù)由線路或以太網(wǎng)絡(luò)供電，而節(jié)點在電池供電情況下，必須盡可能提高效能，通常微控制器會關(guān)閉無線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(shè)備。

之后微控制器進入低功率模式，仰賴定時器定期蘇醒、啟動系統(tǒng)、傳送各項訊息，再進入休眠模式。

工作周期將決定用電量，以下算式依據(jù)休眠與蘇醒的用電量，估算電池壽命：

運作時間(T，單位小時)取決于工作周期，由可用能源(EA，單位瓦時)除以用電量(P，單位瓦特)，算式亦可進一步擴大。

容量(C，單位安培-小時)，VS與VE分別為放電起點與終點電壓，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)。而在使用年限超過五年的應(yīng)用情況中，降額定值因子α則用來調(diào)整電池容量損耗;電源轉(zhuǎn)換器效能(eff)會影響表現(xiàn)，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(shè)計其中一部分會做電源來源的選擇，此電源必須在延續(xù)10年至20年后效能仍不會大幅衰減，以及在低功率條件下維持高效能的電源轉(zhuǎn)換器(如切換穩(wěn)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世至今，電池壽命極長(10年至25年以上)，也應(yīng)用在偏遠電表及其他電池供電無線系統(tǒng)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(jié)點設(shè)計可能讓輸出從3.0 V至3.6 V區(qū)間提高到5.0 V，或是使用TPS63001等升降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器大多無負載，必須能自動進入脈沖頻率調(diào)變或其他脈沖省略技術(shù)，才能轉(zhuǎn)換電源。

微控制器即便進入低功率模式，在休眠周期內(nèi)仍會持續(xù)運作，也依然會造成能源損耗。但至少定時器必須隨主核心關(guān)閉，以節(jié)省能源。不過即使是這種配置，仍可能出現(xiàn)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休眠期特制的定時裝置，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，運作時用電量僅30 nA，在極長休眠周期下，最多能為電池供電的無線傳感器延長兩年使用年限。(請見下圖)

結(jié)論

隨著電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)日漸增加，安裝者與擁有者希望延長電池壽命，甚至在網(wǎng)絡(luò)使用年限(25年以上)內(nèi)，完全不需更換電池，鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調(diào)變轉(zhuǎn)換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內(nèi)，維持極低用電量，讓無線建筑自動化系統(tǒng)超越有線系統(tǒng)。

Richard Zarr為德州儀器技術(shù)人員，專精于高速訊號與數(shù)據(jù)路徑技術(shù)，工程實務(wù)經(jīng)驗超過30年，并曾在世界各地發(fā)表多篇論文與專文，他是IEEE會員、南佛羅里達大學(xué)學(xué)士，擁有多項LED照明與密碼學(xué)專利。