鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調變轉換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內，維持極低用電量，讓無線建筑自動化系統超越有線系統。

 

今日許多現代建筑自動化系統皆仰賴無線連接，不僅可簡化安裝程序，亦適合快速調整與擴張，不過省去線路的同時，設計師需要以電池供電，卻又因為得定期更換電池，影響整體系統成本。這些系統的難處在于打造高效能電源管理方案，除了延長電池壽命，在攸關生命安全的應用中，更得確保運作穩定。

 

概述

根據2013年「市場與市場」預估及其他數據源，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，全球建筑自動化市場將在2018年增至近500億美元。

 

這塊市場擴張部分原因在于無線傳感器問世，故可輕松安裝、擴大與調整，安裝成本一大部分在于人工架設線路與銅價上揚，無線自動化基礎架構可大幅壓低成本，卻也為系統擁有者增加一項長期成本，因為沒有線路后，系統必須仰賴電池運作。

 

電池替換成本不一，且依據傳感器所在位置（如6公尺高的天花板或難以觸及地點），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永遠不必更換，但受限于電池化學反應老化或老舊傳感器耗電，這種想法不切實際，故多數無線建筑自動化系統里，電池壽命5年為基本要求，10年至15年則較具優勢。

 

減少能源損耗

設計師可透過多項領域，延長電池替換期限，首先了解需要傳感器運作的射頻環境，通常是與其他傳感器共組成網絡，在網狀結構中，部分傳感器為終端或中繼器。

 

由于射頻傳輸是傳感器較大耗能來源，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訊息，可形成極低功率網絡，此種拓樸通常用于以IEEE 802.15.4為基礎的無線網絡，例如ZigBee或6LoWPAN。

 

在ZigBee等網狀結構中，如何同步是一項問題，路由器節點必須隨時待命，若節點發出訊息，或是訊息送至節點，將會（先儲存）再轉發至其他可用節點。

 

在超低功率裝置內，休眠模式會大幅降低用電量，包括射頻接收器等裝置內多數區塊都暫停運作，此時路由器節點必須通電（例如使用交流電），以監控休眠節點在運作時發出的訊息，故用電量相當不對稱，傳感器節點耗能極低，并長期休眠，而路由器節點（也可能是傳感器）持續供電，并維持接收器運作。

 

若希望在超低功率網絡中，省略以線路供電的路由器，定時必須非常精準，但此舉可能提高每個節點的成本與復雜度，整個網絡必須在極短時間內蘇醒、溝通、再次休眠，每次周期之間距離愈長，定時需求就愈高，若網絡內某個節點未趕上同步，就得持續運作，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絡內發生。

 

在較實際的無線網絡中，路由器持續由線路或以太網絡供電，而節點在電池供電情況下，必須盡可能提高效能，通常微控制器會關閉無線電及所有非必要裝置，而傳感器也將關閉所有模擬前端電子設備。

 

之后微控制器進入低功率模式，仰賴定時器定期蘇醒、啟動系統、傳送各項訊息，再進入休眠模式。

 

工作周期將決定用電量，以下算式依據休眠與蘇醒的用電量，估算電池壽命：

 

 

運作時間（T，單位小時）取決于工作周期，由可用能源（EA，單位瓦時）除以用電量（P，單位瓦特），算式亦可進一步擴大。

 

容量（C，單位安培－小時），VS與VE分別為放電起點與終點電壓，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用情況中，降額定值因子α則用來調整電池容量損耗；電源轉換器效能（eff）會影響表現，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。

 

這項設計其中一部分會做電源來源的選擇，此電源必須在延續10年至20年后效能仍不會大幅衰減，以及在低功率條件下維持高效能的電源轉換器（如切換穩壓器），前者可選用鋰亞硫酸氯電池（Li/SOCl2），這種產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），也應用在偏遠電表及其他電池供電無線系統中，一般電壓為3.6 V，且運作溫度范圍較大（–55°C至125°C）。

 

若使用單一鋰電池，傳感器節點設計可能讓輸出從3.0 V至3.6 V區間提高到5.0 V，或是使用TPS63001等升降壓轉換器，維持輸出在3.3 V，并在升降壓情況下較高提供800 mA。這項特點相當重要，因為射頻發送器可能需要大額瞬間電流，況且在休眠周期里，轉換器大多無負載，必須能自動進入脈沖頻率調變或其他脈沖省略技術，才能轉換電源。

 

微控制器即便進入低功率模式，在休眠周期內仍會持續運作，也依然會造成能源損耗。但至少定時器必須隨主核心關閉，以節省能源。不過即使是這種配置，仍可能出現少量毫安，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長休眠期特制的定時裝置，德州儀器TPL5000具備可編程分配器，提供較高間隔64秒的蘇醒脈沖，運作時用電量僅30 nA，在極長休眠周期下，較多能為電池供電的無線傳感器延長兩年使用年限。（請見下圖）

 

 

結論

隨著電池供電的無線網絡日漸增加，安裝者與擁有者希望延長電池壽命，甚至在網絡使用年限（25年以上）內，完全不需更換電池，鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調變轉換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內，維持極低用電量，讓無線建筑自動化系統超越有線系統。

 

Richard Zarr為德州儀器技術人員，專精于高速訊號與數據路徑技術，工程實務經驗超過30年，并曾在世界各地發表多篇論文與專文，他是IEEE會員、南佛羅里達大學學士，擁有多項LED照明與密碼學專利。