運用替代能源進行遠端感測 - 全文

　　遠端感測應用常常運用替代能源做為電源，這些應用在監控橋樑震動、森林中樹木生長及地震游標（seismic buoys）系統中相當常見。然而能源常受限于電源量，所以系統設計必須相當節能。本文將探討設計低功耗感測器系統的幾種方法，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，仰賴龐大且復雜的基礎架構持續不斷地擴增。但當基礎架構逐漸老化，其弱點也隨之出現，可能導致嚴重事故發生，例如橋樑崩塌或大規模停電。工程人員必須設法監控道路及其他重要系統所形成的網絡。其中一種方法是透過衛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）或手機系統的主動式感測器，回報網絡中主要監控項目的狀態來得知系統的情況，提供必要的維護，避免問題發生。

　　主動式系統需要電源

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

　　主動式系統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。這使監控系統得以在任何氣候條件下全天運作，而且監測系統維護（例如電池更換）的時間間隔變長。

　　設計這些系統時，設計人員必須注意兩個要點。首先是電源的重要性。沒有電源，系統將無法運作，因此電源轉換及儲存的效率相當重要。其次是系統運作所需的電量。如果電子裝置功耗大于可供應的電源，系統也會失效。所以，收集可用的能源，以最有效的方式轉換并充分運用，是必須克服的難題。

　　降低能源消耗量

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

　　這種讓設備保持運作的方法到現在已經使用數十年。圖1顯示一般遠端感測器電源系統的運作方式。由于接觸低空地球軌道的衛星需要數瓦的無線射頻功率，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，否則系統將失效。

　　圖1：電源消耗的PWM週期。

　　整個計算相當簡單。總電量是：

　　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）的乘積。雖然處在能源消耗階段，但是系統仍然能繼續擷取能源，除非這個模式在運作期間停用。因此：

　　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）。

　　持續監測的問題

　　以上圖示的基本概念是儲存的電源必須超過系統最大消耗電量。在遠端感測中，無線射頻的功率放大器很可能在對空通訊或連線階段耗用最多的電源，使系統在每次更新數據的間隔時進入休眠狀態，還有一個問題必須解決。

　　如果系統僅需要每隔15分鐘偵測氣溫及溼度一次，并回報資料，整個裝置可在只有一個即時時脈（RTC）運作的情況下進入休眠狀態。RTC使用極低的電源，通常有一個中斷接腳能夠設定間隔。使系統結束休眠（低功耗模式）進行測量并啟動無線射頻，然后傳輸資料后再返回休眠模式。

　　但如果系統需要持續監測，例如偵測氣體或暫態負載情況，甚至累積平均數，這種方法就不適用。系統必須盡可能以最低功耗持續運作。對于大多數微控制器而言，這不構成問題，可是對需要連接感測器的類比前端，就相當不容易。

　　一般而言，雜訊是必須去除的。大量增益的系統皆需要低雜訊的放大器。但低功耗運算放大器通常都有較高的雜訊，這是因為較低的尾部電流（tail currents）出現在放大器的第一個階段。耗電量與低雜訊兩者之間必須維持均衡，因此選用持續運作的放大器必須格外謹慎。

　　如果系統包含類比數位轉換器（ADC），則需依據相關的頻率加入濾波器，以避免取樣所致的混疊（或訊號鏡映）。訊號出現在資料轉換器的輸入時，如果頻率高于一半的取樣率，便會造成這種現象。在取樣理論中，稱為尼奎斯特率（Nyquist rate），依據這個理論，若要準確重現類比訊號，必須達到最高頻率分量（或系統頻寬）的兩倍。超過或者無法達到最高的頻率分量都將導致訊號處理錯誤。濾波器也需要電源，若是連續時間濾波器（採用運算放大器），即使在ADC取樣週期之間也會耗用電源。

　　另外一項問題是偏移及其他感測器校正需求。微控制器可完成一些校正，但是通常需要偏移來刺激感測器或橋接電路。用來偵測毒素的氣體感測器由于偵測的氣體類型而特別復雜。感測器製造商會依據使用者的設計需求提供參考電路，視成本、準確度及應用需求而定。

　　整合及工具

　　由于這些監控系統的復雜度大多在于類比前端，因此半導體製造商已經開始將大部份的功能整合于單一裝置。如此的做法有許多優點，其中一項是控制從偵測器到類比數位轉換器的訊號路徑。另一項優點是更準確控制對于遠端感測應用相當重要的電源。

　　專為低功耗化學偵測應用所設計的LMP91000 AFE Potentiostat便是其中一例，此款裝置運用有效架構，協助設計人員克服許多上述的問題，包含直接連接2或3個鉛電化學電池所需的全部電路，并提供經過校正的輸出電壓。由于許多感測器都相當復雜，LMP91000獲得TI的WEBENCH工具「Sensor AFE Designer」充分支援。這套工具讓設計人員可選用氨氣等終端應用、感測器製造商及類型，然后計算全部所需的外部元件（數量相當少）及所需的程式設定。

　　結合LMP91000與德州儀器的CC430等含有類比數位轉換器，及大多數無線射頻電子裝置的超低功耗微控制器，即可形成完整的遠端氣體偵測平臺（見圖2）。