運用替代能源進行遠端感測

　　遠端感測應(yīng)用常常運用替代能源做為電源，這些應(yīng)用在監(jiān)控橋樑震動、森林中樹木生長及地震游標(biāo)（seismic buoys）系統(tǒng)中相當(dāng)常見。然而能源常受限于電源量，所以系統(tǒng)設(shè)計必須相當(dāng)節(jié)能。本文將探討設(shè)計低功耗感測器系統(tǒng)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，仰賴龐大且復(fù)雜的基礎(chǔ)架構(gòu)持續(xù)不斷地擴增。但當(dāng)基礎(chǔ)架構(gòu)逐漸老化，其弱點也隨之出現(xiàn)，可能導(dǎo)致嚴重事故發(fā)生，例如橋樑崩塌或大規(guī)模停電。工程人員必須設(shè)法監(jiān)控道路及其他重要系統(tǒng)所形成的網(wǎng)絡(luò)。其中一種方法是透過衛(wèi)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(tǒng)的主動式感測器，回報網(wǎng)絡(luò)中主要監(jiān)控項目的狀態(tài)來得知系統(tǒng)的情況，提供必要的維護，避免問題發(fā)生。

　　主動式系統(tǒng)需要電源

　　主動式感測系統(tǒng)比被動式監(jiān)測具備更高效益。例如，使用RFID及應(yīng)力量測（strain gauge）的被動式感測器可以加入混凝土，直接倒入結(jié)構(gòu)中，但使用RFID讀取器（RFID reader）時，必須近距離接觸無線射頻區(qū)域，才能激發(fā)這些標(biāo)記（tags）并取得資料。這表示人員必須前往遠端位置，才能監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀況。主動式系統(tǒng)則仍可裝配于老舊的結(jié)構(gòu)，并透過遙控的方式回報震動與應(yīng)力（stresses）。

　　主動式系統(tǒng)的缺點在于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(huán)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(jiān)控系統(tǒng)得以在任何氣候條件下全天運作，而且監(jiān)測系統(tǒng)維護（例如電池更換）的時間間隔變長。

　　設(shè)計這些系統(tǒng)時，設(shè)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(tǒng)將無法運作，因此電源轉(zhuǎn)換及儲存的效率相當(dāng)重要。其次是系統(tǒng)運作所需的電量。如果電子裝置功耗大于可供應(yīng)的電源，系統(tǒng)也會失效。所以，收集可用的能源，以最有效的方式轉(zhuǎn)換并充分運用，是必須克服的難題。

　　降低能源消耗量

　　目前，運用磁滯轉(zhuǎn)換及休眠模式，能夠使電源使用達到極高的效率。這些設(shè)計能夠在各種負載達到90%至95%的效率，尤其當(dāng)遠端感測器長時間運作時，大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)。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(tǒng)進行讀取。

　　這種讓設(shè)備保持運作的方法到現(xiàn)在已經(jīng)使用數(shù)十年。圖1顯示一般遠端感測器電源系統(tǒng)的運作方式。由于接觸低空地球軌道的衛(wèi)星需要數(shù)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(tǒng)將失效。

　　圖1：電源消耗的PWM週期。

　　整個計算相當(dāng)簡單?？傠娏渴牵?/p>

　　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(tǒng)負載週期（介于0與1之間）。儲存階段所收集的電源必須大于PT與整段期間（秒數(shù)）的乘積。雖然處在能源消耗階段，但是系統(tǒng)仍然能繼續(xù)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（介于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）。