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                    √ 電源                  √ 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
                    √ 無(wú)線設(shè)備              √ 工作周期
                    √ 同步                  √ 設(shè)備供應(yīng)商選擇

概述

    無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正迅速在工業(yè)環(huán)境中安家落戶。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用，使電線退出了舞臺(tái)，避免了向每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)部件敷設(shè)電纜的費(fèi)用和麻煩，也同時(shí)將傳統(tǒng)的供電路徑廢除了。  

    那么要如何才能夠?yàn)槊恳粋€(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)線收發(fā)裝置、傳感器，以及嵌入式電子部件提供電源呢？ 哪種方法供電最有效，可以不用頻繁更換電池呢？  

    答案是，只要選擇能夠提供較高的能量效率的技術(shù)以及高級(jí)電源管理技術(shù)即可做到。 

電源

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的供電有三種常見(jiàn)的方法: 

    本地供電

    電池

    能量搜集

電源-本地供電

    為每一個(gè)設(shè)備都提供一個(gè)有線連接的本地電源可能費(fèi)用很高，但是在某些情況下這樣做是可行的：

    本地電源非常便利；

    傳感器功率較高；

    需要提供額外的電源來(lái)支持頻繁的信號(hào)傳輸；

    長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)。

電源-電池

    電池供電的方式簡(jiǎn)單，價(jià)格低，易于安裝。 但是仍然需要定期更換，而頻繁的更換會(huì)增加人工、停工期以及庫(kù)存費(fèi)用。 

    因此電池適用于耗能較低，從而電池的使用壽命可以延長(zhǎng)的場(chǎng)合。 這就意味著傳感器及其無(wú)線收發(fā)裝置的功率要低，傳輸距離要短。 

    您還可以讓系統(tǒng)經(jīng)常性地減少——甚或關(guān)閉設(shè)備的電能消耗——以此來(lái)增加電池的壽命。 這種方式常常稱作“睡眠模式”。 

    電池壽命一般以年為單位來(lái)衡量。 通常鋰電池是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗鼈儔勖^長(zhǎng)，功率體積比很高。 

    可充電電池由于需要充電的緣故一般不推薦使用。 它們的自放電也比較快，充電能力也隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 

    但是，假如您有一個(gè)成本較低，常常更新的充電電源的話，使用充電電池亦無(wú)不可。 我們下面將談到這個(gè)問(wèn)題。 

電源-能量搜集技術(shù)

    能量搜集技術(shù)將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能，從而減少或者干脆消除對(duì)電池電源的需要。 

    能量搜集技術(shù)的產(chǎn)生可以追溯到水輪或者風(fēng)車技術(shù)，以及從廢熱或振動(dòng)中汲取能量的方法，而這些技術(shù)早已存在了幾十年之久了。 如今這些古老的技術(shù)卻重新煥發(fā)青春，對(duì)于小型的，分布廣泛而功率較低的電子部件例如無(wú)線傳感器的供電而言，變得日益重要。 

    大多數(shù)工廠都擁有各種能量來(lái)源可供利用，生產(chǎn)出功率雖小但是對(duì)于低能耗的無(wú)線設(shè)備而言卻已足夠的電能，這些能源包括：

    太陽(yáng)能——利用光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能；

    振動(dòng)能——物理運(yùn)動(dòng)，例如管道或其它設(shè)備的振動(dòng)也可以被轉(zhuǎn)換為電能；

    熱能——利用熱電材料可以將多余的熱能或溫度的變化轉(zhuǎn)換成電能。

    所有這些方法都有其局限性。例如太陽(yáng)能在夜晚和陰天的時(shí)候就無(wú)法使用了，而且，一般而言，能量搜集技術(shù)比起電池供電費(fèi)用更高。能量搜集裝置的安裝方面也比較復(fù)雜。 

    不管局限性如何，現(xiàn)在正有越來(lái)越多的供應(yīng)商在將能量管理技術(shù)同低能耗設(shè)備結(jié)合起來(lái)。 這些設(shè)備利用可以搜集到的有限能源即可維持工作。 

    現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了各種可以用于無(wú)線設(shè)備的潛在能源。讓我們?cè)賮?lái)看一下同一個(gè)問(wèn)題的另外一個(gè)方面：如何利用正確的技術(shù)和方法來(lái)使能量要求達(dá)到最小。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    選擇不同的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)能量消耗具有不同的影響，如圖1所示。

    利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的無(wú)線設(shè)備信號(hào)收發(fā)裝置對(duì)電源功率的要求最高——可達(dá)3瓦之多——這是因?yàn)閿?shù)據(jù)在抵達(dá)發(fā)射塔之前需要旅行很長(zhǎng)的距離。 

    Wi-Fi 無(wú)線通信也需要較高的功率來(lái)發(fā)送較大的數(shù)據(jù)包，功率范圍為100mW 到1W。 

    自組織網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信是迄今為止能量效率最低的技術(shù)。它們要求的功率低于1mW， 之所以這么低是因?yàn)榇蠖鄶?shù)信號(hào)僅在很短的距離范圍內(nèi)傳輸（到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可）而且更新率也通常較低，大約每分鐘一次左右。

                    圖1   網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是影響功率消耗的因素之一

無(wú)線設(shè)備

    您可以選擇三種無(wú)線設(shè)備——每一種對(duì)電源都有不同的要求，如圖2所示： 

    一個(gè)傳輸4~20mA模擬信號(hào)的無(wú)線設(shè)備需要按240mW的 功率（20mA, 12V ）來(lái)為傳感器供電。

    從傳統(tǒng)的測(cè)量傳感器發(fā)送數(shù)字HART數(shù)據(jù)時(shí)， 無(wú)線設(shè)備需要按48mW （4mA， 12V）的功率來(lái)為傳感器供電。

    集成的無(wú)線/傳感器設(shè)備，在利用HART技術(shù)以及低功率電子部件新技術(shù)之后僅需要按2.5mW 的功率（0.5mA, 5V ）來(lái)為傳感器供電。 

                             圖2   集成的無(wú)線

    集成的無(wú)線/傳感器設(shè)備利用低功率電子部件的優(yōu)點(diǎn)來(lái)減少能耗。 

    如果延長(zhǎng)電池壽命對(duì)于維護(hù)要求的最小化非常重要，集成設(shè)備無(wú)疑成為首選。 

    假如您想在現(xiàn)有的設(shè)備上應(yīng)用無(wú)線技術(shù)并需要在短距離內(nèi)以較低的更新率來(lái)傳送數(shù)據(jù)包，那么另外兩種選擇也很合適。 

工作周期

    到現(xiàn)在為止，您已經(jīng)學(xué)到通過(guò)為您的網(wǎng)絡(luò)選擇正確的無(wú)線技術(shù)、傳感器和電源，能量消耗可以大大地降低，而且設(shè)備的耗能越低，電池可以持續(xù)的時(shí)間也就越長(zhǎng)。 這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槟粫?huì)希望頻繁更換電池產(chǎn)生的費(fèi)用將開(kāi)始時(shí)在接線和安裝方面節(jié)省的費(fèi)用吞掉。  

    但是能量消耗不僅僅是功率的問(wèn)題。 它還包括電源應(yīng)用的頻繁度——以及時(shí)間長(zhǎng)度。 

    能量＝功率×工作時(shí)間

    因此您可以通過(guò)設(shè)定電子部件在通電和“睡眠”模式之間的工作周期，使能量效率的提高向前大大地邁出一步。

    在工作循環(huán)中，傳感器的電子部件和無(wú)線通信裝置并非一直處于供電狀態(tài)。 首先是傳感器通電，時(shí)間要足夠長(zhǎng)以便完成測(cè)量，然后傳感器轉(zhuǎn)入睡眠模式，這時(shí)耗電幾乎為零。 接著無(wú)線通信裝置要通電很短一段時(shí)間只要足夠發(fā)送數(shù)據(jù)即可。 在數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，裝置自行斷電，進(jìn)入睡眠模式，直到下一次預(yù)定測(cè)量時(shí)間的來(lái)臨，如圖3所示。

                   圖3   工作循環(huán)設(shè)定可以幫助減少平均功率消耗

    通過(guò)延長(zhǎng)測(cè)量的間隔時(shí)間，能量效率可以進(jìn)一步延長(zhǎng)。 如果您無(wú)意每幾個(gè)月就更換一次電池或者改成硬線連接供電方式的話，無(wú)線設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)更新率可以設(shè)定得比有線系統(tǒng)更低為好。 

    為了幫助您優(yōu)化測(cè)量頻率， 有些供應(yīng)商會(huì)提供一張圖表，顯示電池壽命和更新率之間的關(guān)系。 對(duì)于設(shè)計(jì)良好的設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池壽命在安裝使用的情況下其預(yù)計(jì)時(shí)間不是幾個(gè)月，而是幾年。 

同步

    電池壽命還受到無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信同步技術(shù)的影響。 有兩種同步方法： CSMA (載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn))和TDMA( 時(shí)分多址)。

    在CSMA模式下，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在同一時(shí)間從睡眠模式中醒來(lái)并試圖通信。如果有兩條信息在網(wǎng)絡(luò)上“碰撞”，每個(gè)設(shè)備都會(huì)反復(fù)重新發(fā)送信息，直到成功為止。 

    CSMA主要的缺點(diǎn)在于，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加意味著信息交通量的增加，因此碰撞也隨之增加。碰撞越多，碰撞信息重新發(fā)送需要的功率也就越大。 功耗越高，電池壽命也就越短。 這就是為什么CSMA僅僅適用于最小的電池供電網(wǎng)絡(luò)的原因。通常這種網(wǎng)絡(luò)用于住宅區(qū)或者商業(yè)環(huán)境。 

    利用TDMA， 每一套無(wú)線設(shè)備都很確切地知道網(wǎng)絡(luò)通信需要在何時(shí)，以多高的頻度進(jìn)行。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是， 每條信息都有一個(gè)特定的時(shí)隙，并在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)穿行于網(wǎng)絡(luò)，而信息之間也無(wú)碰撞發(fā)生的可能。 

    作為結(jié)果， TDMA 成為最穩(wěn)健可靠的同步方法，可以在工廠條件下獲得真實(shí)的升級(jí)能力，但是使用的能量卻要少于CSMA. 

設(shè)備供應(yīng)商選擇

    無(wú)線設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供應(yīng)商一般都對(duì)本課程中講述的電源管理技術(shù)及其折衷方案非常諳熟。 其中大多數(shù)供應(yīng)商都想盡辦法，努力提供合適的產(chǎn)品，幫助客戶在能量使用和應(yīng)用要求方面做出權(quán)衡。 

    在您評(píng)估供應(yīng)商的時(shí)候，可以在如下方面進(jìn)行詢問(wèn)：

    應(yīng)用TDMA協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    利用低功率電子部件制造的產(chǎn)品，尤其是具有功耗最小化設(shè)計(jì)的集成式無(wú)線/傳感器裝置

    儀器設(shè)備在不進(jìn)行測(cè)量/傳輸?shù)臅r(shí)候自行進(jìn)入睡眠模式――并能迅速“醒來(lái)”，無(wú)功耗較高的預(yù)熱階段。 

    用戶可以自行設(shè)置更新率

    以能量搜集方式來(lái)補(bǔ)充或替換電池電源

總結(jié)

    通過(guò)能量搜集技術(shù)，對(duì)電池電源的需求可以大大地減少或干脆消除了

    自組織網(wǎng)絡(luò)比蜂窩技術(shù)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的能量效率更高。 

    在無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，TDMA 信息同步技術(shù)比CSMA 具有更高的能量效率，可升級(jí)性也更好。 

    工作周期設(shè)定（僅在需要時(shí)給儀表供電）進(jìn)一步減少了對(duì)能量的要求。