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無線建筑自動化系統(tǒng)中如何進(jìn)行高效能電源管理?

發(fā)布時間:2014-10-27 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】目前,許多現(xiàn)代建筑自動化系統(tǒng)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(guān)生命安全的應(yīng)用中,更得確保運(yùn)作穩(wěn)定。本文將介紹無線建筑自動化系統(tǒng)的高效能電源管理。
 
鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調(diào)變轉(zhuǎn)換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內(nèi),維持極低用電量,讓無線建筑自動化系統(tǒng)超越有線系統(tǒng)。
  
目前,許多現(xiàn)代建筑自動化系統(tǒng)皆仰賴無線連接,不僅可簡化安裝程序,亦適合快速調(diào)整與擴(kuò)張,不過省去線路的同時,設(shè)計師需要以電池供電,卻又因?yàn)榈枚ㄆ诟鼡Q電池,影響整體系統(tǒng)成本。這些系統(tǒng)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(guān)生命安全的應(yīng)用中,更得確保運(yùn)作穩(wěn)定。
  
概述
  
根據(jù)2013年「市場與市場」預(yù)估及其他數(shù)據(jù)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(kuò)張部分原因在于無線傳感器問世,故可輕松安裝、擴(kuò)大與調(diào)整,安裝成本一大部分在于人工架設(shè)線路與銅價上揚(yáng),無線自動化基礎(chǔ)架構(gòu)可大幅壓低成本,卻也為系統(tǒng)擁有者增加一項(xiàng)長期成本,因?yàn)闆]有線路后,系統(tǒng)必須仰賴電池運(yùn)作。
  
電池替換成本不一,且依據(jù)傳感器所在位置(如6公尺高的天花板或難以觸及地點(diǎn)),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(nèi)永遠(yuǎn)不必更換,但受限于電池化學(xué)反應(yīng)老化或老舊傳感器耗電,這種想法不切實(shí)際,故多數(shù)無線建筑自動化系統(tǒng)里,電池壽命5年為基本要求,10年至15年則較具優(yōu)勢。
  
減少能源損耗
  
設(shè)計師可透過多項(xiàng)領(lǐng)域,延長電池替換期限,首先了解需要傳感器運(yùn)作的射頻環(huán)境,通常是與其他傳感器共組成網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,部分傳感器為終端或中繼器。
  
由于射頻傳輸是傳感器最大耗能來源,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(fù)訊息,可形成極低功率網(wǎng)絡(luò),此種拓樸通常用于以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)的無線網(wǎng)絡(luò),例如ZigBee或6LoWPAN。
 
在ZigBee等網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,如何同步是一項(xiàng)問題,路由器節(jié)點(diǎn)必須隨時待命,若節(jié)點(diǎn)發(fā)出訊息,或是訊息送至節(jié)點(diǎn),將會(先儲存)再轉(zhuǎn)發(fā)至其他可用節(jié)點(diǎn)。
  
在超低功率裝置內(nèi),休眠模式會大幅降低用電量,包括射頻接收器等裝置內(nèi)多數(shù)區(qū)塊都暫停運(yùn)作,此時路由器節(jié)點(diǎn)必須通電(例如使用交流電),以監(jiān)控休眠節(jié)點(diǎn)在運(yùn)作時發(fā)出的訊息,故用電量相當(dāng)不對稱,傳感器節(jié)點(diǎn)耗能極低,并長期休眠,而路由器節(jié)點(diǎn)(也可能是傳感器)持續(xù)供電,并維持接收器運(yùn)作。
  
若希望在超低功率網(wǎng)絡(luò)中,省略以線路供電的路由器,定時必須非常精準(zhǔn),但此舉可能提高每個節(jié)點(diǎn)的成本與復(fù)雜度,整個網(wǎng)絡(luò)必須在極短時間內(nèi)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個節(jié)點(diǎn)未趕上同步,就得持續(xù)運(yùn)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)生。
  
在最實(shí)際的無線網(wǎng)絡(luò)中,路由器持續(xù)由線路或以太網(wǎng)絡(luò)供電,而節(jié)點(diǎn)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(guān)閉無線電及所有非必要裝置,而傳感器也將關(guān)閉所有模擬前端電子設(shè)備。
  
之后微控制器進(jìn)入低功率模式,仰賴定時器定期蘇醒、啟動系統(tǒng)、傳送各項(xiàng)訊息,再進(jìn)入休眠模式。
  
工作周期將決定用電量,以下算式依據(jù)休眠與蘇醒的用電量,估算電池壽命:
 
 
運(yùn)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(jìn)一步擴(kuò)大。
  
容量(C,單位安培-小時),VS與VE分別為放電起點(diǎn)與終點(diǎn)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(yīng)用情況中,降額定值因子α則用來調(diào)整電池容量損耗;電源轉(zhuǎn)換器效能(eff)會影響表現(xiàn),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(xiàng)設(shè)計其中一部分會做電源來源的選擇,此電源必須在延續(xù)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(zhuǎn)換器(如切換穩(wěn)壓器),前者可選用鋰亞硫酸氯電池(Li/SOCl2),這種產(chǎn)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(yīng)用在偏遠(yuǎn)電表及其他電池供電無線系統(tǒng)中,一般電壓為3.6V,且運(yùn)作溫度范圍較大(–55℃至125℃)。
  
若使用單一鋰電池,傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計可能讓輸出從3.0V至3.6V區(qū)間提高到5.0V,或是使用TPS63001等升降壓轉(zhuǎn)換器,維持輸出在3.3V,并在升降壓情況下最高提供800mA。這項(xiàng)特點(diǎn)相當(dāng)重要,因?yàn)樯漕l發(fā)送器可能需要大額瞬間電流,況且在休眠周期里,轉(zhuǎn)換器大多無負(fù)載,必須能自動進(jìn)入脈沖頻率調(diào)變或其他脈沖省略技術(shù),才能轉(zhuǎn)換電源。
  
微控制器即便進(jìn)入低功率模式,在休眠周期內(nèi)仍會持續(xù)運(yùn)作,也依然會造成能源損耗。但至少定時器必須隨主核心關(guān)閉,以節(jié)省能源。不過即使是這種配置,仍可能出現(xiàn)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0.3μA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,提供最高間隔64秒的蘇醒脈沖,運(yùn)作時用電量僅30nA,在極長休眠周期下,最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(jié)論
  
隨著電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)日漸增加,安裝者與擁有者希望延長電池壽命,甚至在網(wǎng)絡(luò)使用年限(25年以上)內(nèi),完全不需更換電池,鋰亞硫酸氯電池、脈沖頻率調(diào)變轉(zhuǎn)換器、新式奈米耗能長周期定時器均可在休眠周期內(nèi),維持極低用電量,讓無線建筑自動化系統(tǒng)超越有線系統(tǒng)。
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