无线建筑自动化系统中的高效能电源管理

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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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。

这项设计其中一部分会做电源来源的选择，此电源必须在延续10年至20年后效能仍不会大幅衰减，以及在低功率条件下维持高效能的电源转换器（如切换稳压器），前者可选用锂亚硫酸氯电池（Li/SOCl2），这种产品自一九七零年代问世至今，电池寿命极长（10年至25年以上），也应用在偏远电表及其他电池供电无线系统中，一般电压为3.6 V，且运作温度范围较大（–55℃至125℃）。

若使用单一锂电池，传感器节点设计可能让输出从3.0 V至3.6 V区间提高到5.0 V，或是使用TPS63001等升降压转换器，维持输出在3.3 V，并在升降压情况下最高提供800 mA。这项特点相当重要，因为射频发送器可能需要大额瞬间电流，况且在休眠周期里，转换器大多无负载，必须能自动进入脉冲频率调变或其他脉冲省略技术，才能转换电源。

微控制器即便进入低功率模式，在休眠周期内仍会持续运作，也依然会造成能源损耗。但至少定时器必须随主核心关闭，以节省能源。不过即使是这种配置，仍可能出现少量毫安，纵然是MSP430等顶尖低功率微控制器，在备用模式还是需要约0.3 μA的电流。

新式解决方案采用针对长休眠期特制的定时装置，德州仪器TPL5000具备可编程分配器，提供最高间隔64秒的苏醒脉冲，运作时用电量仅30 nA，在极长休眠周期下，最多能为电池供电的无线传感器延长两年使用年限。（请见下图）

结论

随着电池供电的无线网络日渐增加，安装者与拥有者希望延长电池寿命，甚至在网络使用年限（25年以上）内，完全不需更换电池，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。

Richard Zarr为德州仪器技术人员，专精于高速讯号与数据路径技术，工程实务经验超过30年，并曾在世界各地发表多篇论文与专文，他是IEEE会员、南佛罗里达大学学士，拥有多项LED照明与密码学专利。