运用替代能源进行远端感测

　　远端感测应用常常运用替代能源做为电源，这些应用在监控桥樑震动、森林中树木生长及地震游标（seismic buoys）系统中相当常见。然而能源常受限于电源量，所以系统设计必须相当节能。本文将探讨设计低功耗感测器系统的几种方法，瞭解如何充分运用电源，强化类比效能。

　　人类文明社会的运作，仰赖庞大且复杂的基础架构持续不断地扩增。但当基础架构逐渐老化，其弱点也随之出现，可能导致严重事故发生，例如桥樑崩塌或大规模停电。工程人员必须设法监控道路及其他重要系统所形成的网络。其中一种方法是透过卫星对空通讯继电遥测（telemetry relay via sattelite uplink）、地面无线射频中继（terrestrial radio relays）或手机系统的主动式感测器，回报网络中主要监控项目的状态来得知系统的情况，提供必要的维护，避免问题发生。

　　主动式系统需要电源

　　主动式感测系统比被动式监测具备更高效益。例如，使用RFID及应力量测（strain gauge）的被动式感测器可以加入混凝土，直接倒入结构中，但使用RFID读取器（RFID reader）时，必须近距离接触无线射频区域，才能激发这些标记（tags）并取得资料。这表示人员必须前往远端位置，才能监测结构的状况。主动式系统则仍可装配于老旧的结构，并透过遥控的方式回报震动与应力（stresses）。

　　主动式系统的缺点在于需要电源才能运作感测器、微控制器及对空通讯（uplink）。虽然可以安装备用电池，不过电量会随着时间耗尽，必须予以更换。针对这一点，可以考虑从环境中获取能源。例如，在交通频繁的桥樑上配置的感测器，可以从车辆通行所造成的震动获取能源。这使监控系统得以在任何气候条件下全天运作，而且监测系统维护（例如电池更换）的时间间隔变长。

　　设计这些系统时，设计人员必须注意两个要点。首先是电源的重要性。没有电源，系统将无法运作，因此电源转换及储存的效率相当重要。其次是系统运作所需的电量。如果电子装置功耗大于可供应的电源，系统也会失效。所以，收集可用的能源，以最有效的方式转换并充分运用，是必须克服的难题。

　　降低能源消耗量

　　目前，运用磁滞转换及休眠模式，能够使电源使用达到极高的效率。这些设计能够在各种负载达到90%至95%的效率，尤其当远端感测器长时间运作时，大多数时间都处于休眠状态。电源需要将电池充电或提供即时时脉（RTC）的待机电源，才能每隔一段时间唤醒系统进行读取。

　　这种让设备保持运作的方法到现在已经使用数十年。图1显示一般远端感测器电源系统的运作方式。由于接触低空地球轨道的卫星需要数瓦的无线射频功率，因此传输时间必须很短。如果通讯完成前耗尽电源，资讯就可能遗失。以下的运算可降低休眠阶段的耗电量，在最不理想的状况下，至少有足够的电源能够维持运作阶段，否则系统将失效。

　　

　　图1：电源消耗的PWM週期。

　　整个计算相当简单。总电量是：

　　

　　E1

　　其中PT是总电量，PA是运作阶段电量，PS是休眠阶段电量，DC是系统负载週期（介于0与1之间）。储存阶段所收集的电源必须大于PT与整段期间（秒数）的乘积。虽然处在能源消耗阶段，但是系统仍然能继续撷取能源，除非这个模式在运作期间停用。因此：

　　

　　E2

　　其中EC是充电阶段收集的电源（单位为焦耳；joule），e是储存效率（介于0与1之间），PT是总电量（单位为瓦；watt），T是週期长度（单位为秒）。