无线建筑自动化系统中的高效能电源管理
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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IEEE802.15.4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。 之后微控制器进入低功率模式，仰赖定时器定期苏醒、启动系统、传送各项讯息，再进入休眠模式。 工作周期将决定用电量，以下算式依据休眠与苏醒的用电量，估算电池寿命：
运作时间(T，单位小时)取决于工作周期，由可用能源(EA，单位瓦时)除以用电量(P，单位瓦特)，算式亦可进一步扩大。 容量(C，单位安培-小时)，VS与VE分别为放电起点与终点电压，PW与PS分别为苏醒周期与休眠周期的用电量(单位瓦特)，D为苏醒阶段的工作周期(零至一)。而在使用年限超过五年的应用情况中，降额定值因子α则用来调整电池容量损耗;电源转换器效能(eff)会影响表现，因此也得纳入考虑，通常效能范围介于80%(eff=0.8)至95%(eff=0.95)之间。 |
