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TI支招:如何在建筑自动化系统内节省能源

2014年04月10日 19:43 次阅读
  锂亚硫酸氯电池、脉冲频率调变转换器、新式奈米耗能长周期定时器均可在休眠周期内,维持极低用电量,让无线建筑自动化系统超越有线系统。

  今日许多现代建筑自动化系统皆仰赖无线连接,不仅可简化安装程序,亦适合快速调整与扩张,不过省去线路的同时,设计师需要以电池供电,却又因为得定期更换电池,影响整体系统成本。这些系统的难处在于打造高效能电源管理方案,除了延长电池寿命,在攸关生命安全的应用中,更得确保运作稳定。

  概述

  根据2013年「市场与市场」预估及其他数据源,由于人们追求让工作与生活空间变得更安全、更舒适、更有效率,全球建筑自动化市场将在2018年增至近500亿美元。

  这块市场扩张部分原因在于无线传感器问世,故可轻松安装、扩大与调整,安装成本一大部分在于人工架设线路与铜价上扬,无线自动化基础架构可大幅压低成本,却也为系统拥有者增加一项长期成本,因为没有线路后,系统必须仰赖电池运作。

  电池替换成本不一,且依据传感器所在位置(如6公尺高的天花板或难以触及地点),可能需要大量劳力。在理想世界中,电池在传感器使用年限内永远不必更换,但受限于电池化学反应老化或老旧传感器耗电,这种想法不切实际,故多数无线建筑自动化系统里,电池寿命5年为基本要求,10年至15年则较具优势。

  减少能源损耗

  设计师可透过多项领域,延长电池替换期限,首先了解需要传感器运作的射频环境,通常是与其他传感器共组成网络,在网状结构中,部分传感器为终端或中继器。

  由于射频传输是传感器最大耗能来源,此种配置可提高能源效能,藉由降低传输耗能与透过路由器重复讯息,可形成极低功率网络,此种拓朴通常用于以IEEE 802.15.4为基础的无线网络,例如ZigBee或6LoWPAN。

  在ZigBee等网状结构中,如何同步是一项问题,路由器节点必须随时待命,若节点发出讯息,或是讯息送至节点,将会(先储存)再转发至其他可用节点。

  在超低功率装置内,休眠模式会大幅降低用电量,包括射频接收器等装置内多数区块都暂停运作,此时路由器节点必须通电(例如使用交流电),以监控休眠节点在运作时发出的讯息,故用电量相当不对称,传感器节点耗能极低,并长期休眠,而路由器节点(也可能是传感器)持续供电,并维持接收器运作。

  若希望在超低功率网络中,省略以线路供电的路由器,定时必须非常精准,但此举可能提高每个节点的成本与复杂度,整个网络必须在极短时间内苏醒、沟通、再次休眠,每次周期之间距离愈长,定时需求就愈高,若网络内某个节点未赶上同步,就得持续运作,直至下次苏醒周期再重新同步,这种情况必须尽可能避免在电池供电网络内发生。

  在最实际的无线网络中,路由器持续由线路或以太网络供电,而节点在电池供电情况下,必须尽可能提高效能,通常微控制器会关闭无线电及所有非必要装置,而传感器也将关闭所有模拟前端电子设备。

  之后微控制器进入低功率模式,仰赖定时器定期苏醒、启动系统、传送各项讯息,再进入休眠模式。

  工作周期将决定用电量,以下算式依据休眠与苏醒的用电量,估算电池寿命:

         

  运作时间(T,单位小时)取决于工作周期,由可用能源(EA,单位瓦时)除以用电量(P,单位瓦特),算式亦可进一步扩大。

  容量(C,单位安培-小时),VS与VE分别为放电起点与终点电压,PW与PS分别为苏醒周期与休眠周期的用电量(单位瓦特),D为苏醒阶段的工作周期(零至一)。而在使用年限超过五年的应用情况中,降额定值因子α则用来调整电池容量损耗;电源转换器效能(eff)会影响表现,因此也得纳入考虑,通常效能范围介于80%(eff = 0.8)至95%(eff = 0.95)之间。

  这项设计其中一部分会做电源来源的选择,此电源必须在延续10年至20年后效能仍不会大幅衰减,以及在低功率条件下维持高效能的电源转换器(如切换稳压器),前者可选用锂亚硫酸氯电池(Li/SOCl2),这种产品自一九七零年代问世至今,电池寿命极长(10年至25年以上),也应用在偏远电表及其他电池供电无线系统中,一般电压为3.6 V,且运作温度范围较大(–55°C至125°C)。

  若使用单一锂电池,传感器节点设计可能让输出从3.0 V至3.6 V区间提高到5.0 V,或是使用TPS63001等升降压转换器,维持输出在3.3 V,并在升降压情况下最高提供800 mA。这项特点相当重要,因为射频发送器可能需要大额瞬间电流,况且在休眠周期里,转换器大多无负载,必须能自动进入脉冲频率调变或其他脉冲省略技术,才能转换电源。

  微控制器即便进入低功率模式,在休眠周期内仍会持续运作,也依然会造成能源损耗。但至少定时器必须随主核心关闭,以节省能源。不过即使是这种配置,仍可能出现少量毫安,纵然是MSP430等顶尖低功率微控制器,在备用模式还是需要约0.3 μA的电流。

  新式解决方案采用针对长休眠期特制的定时装置,德州仪器TPL5000具备可编程分配器,提供最高间隔64秒的苏醒脉冲,运作时用电量仅30 nA,在极长休眠周期下,最多能为电池供电的无线传感器延长两年使用年限。(请见下图)

  

  结论

  随着电池供电的无线网络日渐增加,安装者与拥有者希望延长电池寿命,甚至在网络使用年限(25年以上)内,完全不需更换电池,锂亚硫酸氯电池、脉冲频率调变转换器、新式奈米耗能长周期定时器均可在休眠周期内,维持极低用电量,让无线建筑自动化系统超越有线系统。

  Richard Zarr为德州仪器技术人员,专精于高速讯号与数据路径技术,工程实务经验超过30年,并曾在世界各地发表多篇论文与专文,他是IEEE会员、南佛罗里达大学学士,拥有多项LED照明与密码学专利。

——本文选自电子发烧友网4月《物联网技术特刊》透视新设计栏目,转载请注明出处,违者必究!

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发表于 2017-12-11 15:01 57次阅读
安德鲁公司天线智能波束调整及网络容量提升的革新方...

无线网络参数优化应用分析

在无线网络建设中,最为人们关注、最需要解决的三个问题是覆盖、容量和干扰。从建网初期到工程优化的大部分...

发表于 2017-12-11 10:01 62次阅读
无线网络参数优化应用分析

WiMAX无线宽带网络的混合组网,因地制宜优势分...

近年来,随着语音业务ARPU值的不断下降,无线宽带数据业务成为运营商寻求的新业务增长点。据Cisco...

发表于 2017-12-10 16:12 42次阅读
WiMAX无线宽带网络的混合组网,因地制宜优势分...

基于3G无线IP网络的组网方案

在应急状态下,移动集群基站可迅速扩大通信覆盖面,或者提高事件发生地点的网络容量,由于无线链路机动性强...

发表于 2017-12-10 14:14 65次阅读
基于3G无线IP网络的组网方案

Cisco公司提出CleanAir解决方案

历来无线网络工程师都习惯于把频谱分析仪当作现场故障分析诊断工具来用,但企业无线LAN供应商认识到,把...

发表于 2017-12-10 07:32 66次阅读
Cisco公司提出CleanAir解决方案

利用手头的仪器对复杂的无线网络问题进行查找及解决

蜂窝移动通信的网络结构大体可分为终端、基站、基站控制器和MSC几大网元。它们之间的接口称之为Um,A...

发表于 2017-12-10 06:48 44次阅读
利用手头的仪器对复杂的无线网络问题进行查找及解决

基于规范的双频无线网络的部分参数设置介绍

近年来,数字移动通信GSM网络在中国得到了飞速的发展,截至1999年8月份,全国 GSM用户已突破2...

发表于 2017-12-10 03:52 29次阅读
基于规范的双频无线网络的部分参数设置介绍

天馈解决方案的设计和实施详解

随着信息技术应用水平的飞速发展, Wi-Fi建设和维护成本日趋合理,无线宽带网络在商务、旅游、家庭、...

发表于 2017-12-09 17:49 44次阅读
天馈解决方案的设计和实施详解

面向无线传感器的坚固型能量收集系统解决方案

George H. Barbehenn 高级应用工程师 凌力尔特公司 无线传感器拥有一个新兴和规模巨...

发表于 2017-12-09 16:41 66次阅读
面向无线传感器的坚固型能量收集系统解决方案

RFID技术提高仓库管理工作效率简析

目前,RFID(射频识别)被广泛应用于库房物流管理系统中。尤其,在烟厂各立体库中的应用,将RFID技...

发表于 2017-12-08 20:56 34次阅读
RFID技术提高仓库管理工作效率简析

第四张无线网络--Wi-Fi建设和利用解析

作为GSM、UMTS、LTE之外的第四张无线网络,Wi-Fi正在改变用户获取宽带业务的方式,也吸引着...

发表于 2017-12-08 19:21 29次阅读
第四张无线网络--Wi-Fi建设和利用解析

基于LTE Small Cell对热点及室内数据...

解决室内和热点部署的有效方式:Small Cell 目前针对热点及室内数据业务发展的解决方案...

发表于 2017-12-06 07:58 214次阅读
基于LTE Small Cell对热点及室内数据...

无线网络基础知识及设备特点十大解读

AP就是传统有线网络中的HUB,也是组建小型无线局域网时最常用的设备。AP相当于一个连接有线网和无线...

发表于 2017-12-01 16:17 1850次阅读
无线网络基础知识及设备特点十大解读

WSN市场推进无线传感器技术的发展

无线传感器技术是数十年来于过程测量领域中出现的最重要之新技术。因这原因,ARC Advisory G...

发表于 2017-11-30 09:09 236次阅读
WSN市场推进无线传感器技术的发展

ZSTAR3无线传感器主要元件特性介绍及设计材料...

飞思卡尔(Freescale)公司的ZSTAR3无线传感器参考设计支持数字和模拟加速度计,并能通过R...

发表于 2017-11-25 13:41 89次阅读
ZSTAR3无线传感器主要元件特性介绍及设计材料...

无线传感器技术在物联网领域的应用案例分析

随着物联网无线传感器技术不断提高,越来越得到广泛应用,主要用于石油化工,电力,工业制造,医药,农业,...

发表于 2017-11-23 09:04 3179次阅读
无线传感器技术在物联网领域的应用案例分析

什么是NI电网自动化系统?NI电网自动化系统介绍

本白皮本提供了NI电网自动化系统(NI Grid Automation System)的概述以及设计...

发表于 2017-11-17 14:47 126次阅读
什么是NI电网自动化系统?NI电网自动化系统介绍

无线局域网络802.11ac产品开发设计过程

IEEE 802.11无线局域网络(WLAN)标准制定于1997年6月,802.11a与802.11...

发表于 2017-11-17 08:01 166次阅读
无线局域网络802.11ac产品开发设计过程

CC2530协议栈工作流程

协议是一系列的通信标准,通信双方需要共同 按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议 栈是协议的具体...

发表于 2017-11-08 10:17 171次阅读
CC2530协议栈工作流程

设计无电池设备需降低无线传感器节点功耗

无线传感器节点可通过缩减传感器尺寸、简化维护问题和延长电池续航时间而降低实施成本。如果把重点集中在无...

发表于 2017-10-20 13:53 1125次阅读
设计无电池设备需降低无线传感器节点功耗

轻松路由器,一招解决蹭网问题

1.设置页面--DHCP服务器--静态地址分配--将自己的IP地址与MAC地址绑定(输入并保存即可)...

发表于 2017-10-15 09:27 188次阅读
轻松路由器,一招解决蹭网问题

一文读懂AW516x zigbee如何自组网功能

标准zigbee网络协议包括协调器、路由器和终端节点,而建立一个zigbee网络除了必须要有协调器之...

发表于 2017-09-29 19:10 382次阅读
一文读懂AW516x zigbee如何自组网功能

在无线传感器网络领域Wi-Fi如何打败Zigbe...

将Wi-Fi用于WSN网络,确实是个不错的主意。因为它能够享受到正在被大规模部署的Wi-Fi网络所带...

发表于 2017-09-28 17:44 320次阅读
在无线传感器网络领域Wi-Fi如何打败Zigbe...

NB-IoT 900M无线网络的未来光明之路

根据我们的预计,未来中国移动的无线网络将成为一个涵盖900MHz、1800MHz以及A、F、E、D和...

发表于 2017-09-23 11:19 538次阅读
NB-IoT 900M无线网络的未来光明之路