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无线建筑自动化系统中的高效能电源管理

上网日期: 2014年04月30日 ?? 作者: Richard F. Zarr ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电源管理? 无线网络? 无线传感器?

锂亚硫酸氯电池、脉冲频率调变转换器、新式奈米耗能长周期定时器均可在休眠周期内,维持极低用电量,让无线建筑自动化系统超越有线系统。

今日许多现代建筑自动化系统皆仰赖无线连接,不仅可简化安装程序,亦适合快速调整与扩张,不过省去线路的同时,设计师需要以电池供电,却又因为得定期更换电池,影响整体系统成本。这些系统的难处在于打造高效能电源管理方案,除了延长电池寿命,在攸关生命安全的应用中,更得确保运作稳定。

概述

根据2013年「市场与市场」预估及其他数据源,由于人们追求让工作与生活空间变得更安全、更舒适、更有效率,全球建筑自动化市场将在2018年增至近500亿美元。

这块市场扩张部分原因在于无线传感器问世,故可轻松安装、扩大与调整,安装成本一大部分在于人工架设线路与铜价上扬,无线自动化基础架构可大幅压低成本,却也为系统拥有者增加一项长期成本,因为没有线路后,系统必须仰赖电池运作。

电池替换成本不一,且依据传感器所在位置(如6公尺高的天花板或难以触及地点),可能需要大量劳力。在理想世界中,电池在传感器使用年限内永远不必更换,但受限于电池化学反应老化或老旧传感器耗电,这种想法不切实际,故多数无线建筑自动化系统里,电池寿命5年为基本要求,10年至15年则较具优势。

减少能源损耗

设计师可透过多项领域,延长电池替换期限,首先了解需要传感器运作的射频环境,通常是与其他传感器共组成网络,在网状结构中,部分传感器为终端或中继器。

由于射频传输是传感器最大耗能来源,此种配置可提高能源效能,藉由降低传输耗能与透过路由器重复讯息,可形成极低功率网络,此种拓朴通常用于以IEEE 802.15.4为基础的无线网络,例如ZigBee或6LoWPAN。

在ZigBee等网状结构中,如何同步是一项问题,路由器节点必须随时待命,若节点发出讯息,或是讯息送至节点,将会(先储存)再转发至其他可用节点。

在超低功率装置内,休眠模式会大幅降低用电量,包括射频接收器等装置内多数区块都暂停运作,此时路由器节点必须通电(例如使用交流电),以监控休眠节点在运作时发出的讯息,故用电量相当不对称,传感器节点耗能极低,并长期休眠,而路由器节点(也可能是传感器)持续供电,并维持接收器运作。

若希望在超低功率网络中,省略以线路供电的路由器,定时必须非常精准,但此举可能提高每个节点的成本与复杂度,整个网络必须在极短时间内苏醒、沟通、再次休眠,每次周期之间距离愈长,定时需求就愈高,若网络内某个节点未赶上同步,就得持续运作,直至下次苏醒周期再重新同步,这种情况必须尽可能避免在电池供电网络内发生。

在最实际的无线网络中,路由器持续由线路或以太网络供电,而节点在电池供电情况下,必须尽可能提高效能,通常微控制器会关闭无线电及所有非必要装置,而传感器也将关闭所有模拟前端电子设备。


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