TI支招：如何在建筑自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)節(jié)省能源
今日許多現(xiàn)代建筑自動(dòng)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(kuò)張，不過省去線路的同時(shí)，設(shè)計(jì)師需要以電池供電，卻又因?yàn)榈枚ㄆ诟鼡Q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(yùn)作穩(wěn)定。
概述
根據(jù)2013年「市場(chǎng)與市場(chǎng)」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(dòng)化市場(chǎng)將在2018年增至近500億美元。
這塊市場(chǎng)擴(kuò)張部分原因在于無線傳感器問世，故可輕松安裝、擴(kuò)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(jià)上揚(yáng)，無線自動(dòng)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(xiàng)長期成本，因?yàn)闆]有線路后，系統(tǒng)必須仰賴電池運(yùn)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(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(nèi)永遠(yuǎn)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(shí)際，故多數(shù)無線建筑自動(dòng)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(shì)。
減少能源損耗
設(shè)計(jì)師可透過多項(xiàng)領(lǐng)域，延長電池替換期限，首先了解需要傳感器運(yùn)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(xiàng)問題，路由器節(jié)點(diǎn)必須隨時(shí)待命，若節(jié)點(diǎn)發(fā)出訊息，或是訊息送至節(jié)點(diǎn)，將會(huì)（先儲(chǔ)存）再轉(zhuǎn)發(fā)至其他可用節(jié)點(diǎn)。
在超低功率裝置內(nèi)，休眠模式會(huì)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(yùn)作，此時(shí)路由器節(jié)點(diǎn)必須通電（例如使用交流電），以監(jiān)控休眠節(jié)點(diǎn)在運(yùn)作時(shí)發(fā)出的訊息，故用電量相當(dāng)不對(duì)稱，傳感器節(jié)點(diǎn)耗能極低，并長期休眠，而路由器節(jié)點(diǎn)（也可能是傳感器）持續(xù)供電，并維持接收器運(yùn)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(shí)必須非常精準(zhǔn)，但此舉可能提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本與復(fù)雜度，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須在極短時(shí)間內(nèi)蘇醒、溝通、再次休眠，每次周期之間距離愈長，定時(shí)需求就愈高，若網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)未趕上同步，就得持續(xù)運(yùn)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(shí)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(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(jìn)入低功率模式，仰賴定時(shí)器定期蘇醒、啟動(dòng)系統(tǒng)、傳送各項(xiàng)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(jù)休眠與蘇醒的用電量，估算電池壽命：
運(yùn)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(kuò)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(huì)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(xiàng)設(shè)計(jì)其中一部分會(huì)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(huì)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(yuǎn)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(yùn)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(xiàng)特點(diǎn)相當(dāng)重要，因?yàn)樯漕l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(fù)載，必須能自動(dòng)進(jìn)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(jìn)入低功率模式，在休眠周期內(nèi)仍會(huì)持續(xù)運(yùn)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(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(duì)長休眠期特制的定時(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(yùn)作時(shí)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(qǐng)見下圖）
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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(shí)器均可在休眠周期內(nèi)，維持極低用電量，讓無線建筑自動(dòng)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(hào)與數(shù)據(jù)路徑技術(shù)，工程實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)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(huì)員、南佛羅里達(dá)大學(xué)學(xué)士，擁有多項(xiàng)LED照明與密碼學(xué)專利。
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