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功率技術/新能源  

運用替代能源進行遠端感測

上網時間: 2012年03月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:遠端感測  能源  RFID  應力量測  CC430 

作者:Richard F. Zarr

MTS技術專家

德州儀器公司

遠端感測應用常常運用替代能源做為電源,這些應用在監控橋樑震動、森林中樹木生長及地震游標(seismic buoys)系統中相當常見。然而能源常受限於電源量,所以系統設計必須相當節能。本文將探討設計低功耗感測器系統的幾種方法,瞭解如何充分運用電源,強化類比效能。

人類文明社會的運作,仰賴龐大且複雜的基礎架構持續不斷地擴增。但當基礎架構逐漸老化,其弱點也隨之出現,可能導致嚴重事故發生,例如橋樑崩塌或大規模停電。工程人員必須設法監控道路及其他重要系統所形成的網絡。其中一種方法是透過衛星對空通訊繼電遙測(telemetry relay via sattelite uplink)、地面無線射頻中繼(terrestrial radio relays)或手機系統的主動式感測器,回報網絡中主要監控項目的狀態來得知系統的情況,提供必要的維護,避免問題發生。

主動式系統需要電源

主動式感測系統比被動式監測具備更高效益。例如,使用RFID及應力量測(strain gauge)的被動式感測器可以加入混凝土,直接倒入結構中,但使用RFID讀取器(RFID reader)時,必須近距離接觸無線射頻區域,才能激發這些標記(tags)並取得資料。這表示人員必須前往遠端位置,才能監測結構的狀況。主動式系統則仍可裝配於老舊的結構,並透過遙控的方式回報震動與應力(stresses)。

主動式系統的缺點在於需要電源才能運作感測器、微控制器及對空通訊(uplink)。雖然可以安裝備用電池,不過電量會隨著時間耗盡,必須予以更換。針對這一點,可以考慮從環境中獲取能源。例如,在交通頻繁的橋樑上配置的感測器,可以從車輛通行所造成的震動獲取能源。這使監控系統得以在任何氣候條件下全天運作,而且監測系統維護(例如電池更換)的時間間隔變長。

設計這些系統時,設計人員必須注意兩個要點。首先是電源的重要性。沒有電源,系統將無法運作,因此電源轉換及儲存的效率相當重要。其次是系統運作所需的電量。如果電子裝置功耗大於可供應的電源,系統也會失效。所以,收集可用的能源,以最有效的方式轉換並充分運用,是必須克服的難題。

降低能源消耗量

目前,運用磁滯轉換及休眠模式,能夠使電源使用達到極高的效率。這些設計能夠在各種負載達到90%至95%的效率,尤其當遠端感測器長時間運作時,大多數時間都處於休眠狀態。電源需要將電池充電或提供即時時脈(RTC)的待機電源,才能每隔一段時間喚醒系統進行讀取。

這種讓設備保持運作的方法到現在已經使用數十年。圖1顯示一般遠端感測器電源系統的運作方式。由於接觸低空地球軌道的衛星需要數瓦的無線射頻功率,因此傳輸時間必須很短。如果通訊完成前耗盡電源,資訊就可能遺失。以下的運算可降低休眠階段的耗電量,在最不理想的狀況下,至少有足夠的電源能夠維持運作階段,否則系統將失效。


圖1:電源消耗的PWM週期。

整個計算相當簡單。總電量是:


E1

其中PT是總電量,PA是運作階段電量,PS是休眠階段電量,DC是系統負載週期(介於0與1之間)。儲存階段所收集的電源必須大於PT與整段期間(秒數)的乘積。雖然處在能源消耗階段,但是系統仍然能繼續擷取能源,除非這個模式在運作期間停用。因此:


E2

其中EC是充電階段收集的電源(單位為焦耳;joule),e是儲存效率(介於0與1之間),PT是總電量(單位為瓦;watt),T是週期長度(單位為秒)。


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