低功率能量采集技术相助 无线传感器寿命更持久

　　现今无线传感器节点大多使用电池供电，因此建置完成后仍须耗费庞大的人力和物力成本进行维护；而具备低功率能量采集技术的传感器，则可实现几乎无止境的运作，能显着节省维护成本，特别是当此一传感器是被装置在人烟罕至的地区时。

　　智能环境意味着未来家庭与建筑物的自动化。这些自动化须仰赖各种不同的传感器、控制器及致动器，这些元件扮演多元角色，并分布在整个环境中，而这样的分布形成了一些技术挑战。举例来说，每一个传感器都需要有自己的电源，监控低电池状况也是一项标准作业程序；然而，更换电池需要人力协助。本文旨在提出一种采用能量采集（Energy Harvesting）型、低功率传感器的解决方案；当传感器须传送相当数量的资料，或是执行定期测量时，这种由能量采集所驱动的无线传感器，就显得再合适不过了。能量采集技术的使用可让这些传感器在数年期间内完全免维护，而使用电池的传感器则可能在几个月内就耗尽能量。

　　现今已有各种无线传感器的实施方式可供选择，但是系统整体成本并不仅仅取决于硬件而已，根据不同产业标准所实施的成本，也会导致整体成本的增加。其中所包括的不仅是额外的硬件与软件需求，同时也包括了一些较不明显的项目，像是ZigBee及蓝牙（Bluetooth）4.0等通讯技术（图1）认证的费用，甚至可能会有权利金的支出。

　　图1　有线与无线连接环境示意图

　　本文提供一些简单的低功率、能量采集方案，可被用来实现免维护的无线传感器。此外，还会说明如何在提供稳定的效能之际，还能压低整体成本，特别是针对那些具成本效益的无线网络区域。

　　导入能量采集技术　无线传感器可靠度增加

　　能量采集系统基本上可储存能量（无论是使用NiMH这类的可充电式电池或使用超级电容），以供稍后有需要时使用。能量采集型无线传感器与电池驱动型传感器主要的差异在于电池驱动型无线传感器是被设计成在特定的一段时间内，以电池来进行运作，除此之外，这两者基本上是相同的。能量采集型传感器节点所具备的优势在于它可无限期地采集能量，以供日后所需。通常，它可以采集到的数量或能量是很有限的（受限于价格或实际尺寸），所以，无线发射器及传感器本身所使用的能量必须有所平衡，如此才不会过量消耗采集技术所提供的能量。

　　目前市场上有着各种能量采集元件可供选择。最常见的使用元件是太阳能板。它们有着不同的大小，包括串联或并联多个太阳能电池组成的大型太阳能板，以及使用于手持式计算机或玩具上非常小型的太阳能电池等。

　　另一种型态就是射频（RF）采集元件。这种元件使用天线来接收无线电波，并且将它们转化成电能。这是一种型态较为不同的能量采集元件，它需要高单位的射频能量。电机（Electro-mechanical）采集元件通常使用在电感线圈附近使用动态的磁性元件。热电（Thermo-electrical）能量采集元件可自温差产生小量的电能，这些热电元件是根据塞贝克效应（Seebeck Effect）原理运作。

　　当传感器或控制器加入无线能力时，一些经验不足的使用者多仅会考虑采用ZigBee或蓝牙这类的射频产业标准。然而，依据实际应用需求的不同，特定标准可能无法满足现实的真正需求。一般情况下，通常是当最终产品必须与目前存在于市面上的产品相容时，才有必要采用特定标准。制造一款与其他产品相容的产品，确实是一个较复杂的商业决策，在考虑是否要提供相容性时，须谨慎考量其中的利弊。在有些情况下，相容性可能是必要的（如用于行动电话的耳机麦克风），但在其他一些情况下，增加相容性则是不可能做到的，或是成本会变得太过昂贵（如简单的红外线遥控器）。

　　通讯技术认证成本高　射频发射器设计考量多

　　许多时候，当设计人员计画要实施一项特定的射频标准时，仅注意到整体的硬件成本，反而忽略实施某项标准的成本。任何射频发射器都须要经过认证，且非射频发射器仍然须经过FCC或CE的认证。然而，它们的运作较为简单及便宜。对于任何无线传感器而言，FCC认证是无可避免的，所以当设计人员在比较不同解决方案时，这项成本因素是可以搁在一旁的。

　　使用标准的整体成本将视所实施的无线标准为何而定，可能会比原先所预期的高出很多。如果是使用特别标准的成本，将远比仅是硬件与软件的成本高出甚多。这些成本通常来自于组织会员资格、标准符合性测试、特定的特性测试、特定的硬件Sniffer工具等。ZigBee的认证成本大约在3，000美元，这仅只是认证本身的费用而已。但实际上，在申请任何认证之前，我们须进行一些特定的预先测试，以及估计这个元件是否可以通过此项认证。专业的测试设备能以每月 750美元的费用租用。

　　乍看之下，这些额外成本似乎不是非常高，然而，许多时候采用特定标准也让用户必须付出会员资格的成本，也可能是必须给付的权利金。射频标准的认证成本总是转化成额外的成本以及额外的延误，一直到产品上市为止。

　　硬件本身的单位成本通常是每一万个单位时，会落在1-1.5美元这个范围内。当仅生产低数量的产品时，所有的上述成本将会对每单位的整体成本造成影响。假如我们仅将FCC纳入考量，认证的成本大约是10，000美元，而这样的情况将导致单位价格倍增。射频标准的认证（认证本身的成本、预先测试以及射频测试设备）将很轻易地就超过10，000美元，造成不小的成本压力。