如今无线传感器节点大多运用电池供电，因而建置完成后仍须耗费巨大的人力和物力本钱进行保护；而具有低功率能量搜集技能的传感器，则可完成简直无止境的运作，能明显节约保护本钱，特别是当此一传感器是被设备在人迹罕至的区域时。
智能环境意味着未来家庭与建筑物的主动化。这些主动化须仰赖各种不同的传感器、控制器及致动器，这些元件扮演多元人物，并散布在整个环境中，而这样的散布形成了一些技能应战。举例来说，每一个传感器都需求有自己的电源，监控低电池状况也是一项规范作业程序；可是，替换电池需求人力帮忙。本文旨在提出一种选用能量搜集（Energy Harvesting）型、低功率传感器的解决计划；当传感器须传送适当数量的材料，或是履行定时丈量时，这种由能量搜集所驱动的无线传感器，就显得再适宜不过了。能量搜集技能的运用可让这些传感器在数年期间内彻底免保护，而运用电池的传感器则或许在几个月内就耗尽能量。
如今已有各种无线传感器的施行方法可供挑选，可是体系全体本钱并不仅仅取决于硬件罢了，依据不同工业规范所施行的本钱，也会导致全体本钱的添加。其间所包括的不仅是额定的硬件与软件需求，一起也包括了一些较不明显的项目，像是ZigBee及蓝牙（Bluetooth）4.0等通讯技能（图1）认证的费用，乃至或许会有权利金的开销。
图1 有线与无线连接环境示意图
本文供应一些简略的低功率、能量搜集计划，可被用来完成免保护的无线传感器。此外，还会阐明如安在供应安稳的效能之际，还能压低全体本钱，特别是针对那些具本钱效益的无线网络区域。
导入能量搜集技能 无线传感器牢靠度添加
能量搜集体系底子上可贮存能量（无论是运用NiMH这类的可充电式电池或运用超级电容），以供稍后有需求时运用。能量搜集型无线传感器与电池驱动型传感器首要的差异在于电池驱动型无线传感器是被规划成在特定的一段时刻内，以电池来进行运作，除此之外，这两者底子上是相同的。能量搜集型传感器节点所具有的优势在于它可无限期地搜集能量，以供日后所需。一般，它可以搜集到的数量或能量是很有限的（受限于价格或实践尺度），所以，无线发射器及传感器自身所运用的能量有必要有所平衡，如此才不会过量耗费搜集技能所供应的能量。
现在市场上有着各种能量搜集元件可供挑选。最常见的运用元件是太阳能板。它们有着不同的巨细，包括串联或并联多个太阳能电池组成的大型太阳能板，以及运用于手持式核算机或玩具上十分小型的太阳能电池等。
另一种型态便是射频（RF）搜集元件。这种元件运用天线来接纳无线电波，并且将它们转化成电能。这是一种型态较为不同的能量搜集元件，它需求高单位的射频能量。电机（Electro-mechanical）搜集元件一般运用在电感线圈邻近运用动态的磁性元件。热电（Thermo-electrical）能量搜集元件可自温差发生小量的电能，这些热电元件是依据塞贝克效应（Seebeck Effect）原理运作。
当传感器或控制器参加无线才能时，一些经历不足的运用者多仅会考虑选用ZigBee或蓝牙这类的射频工业规范。可是，依据实践运用需求的不同，特定规范或许无法满意实践的实在需求。一般状况下，一般是当终究产品有必要与现在存在于市面上的产品相容时，才有必要选用特定规范。制作一款与其他产品相容的产品，确实是一个较杂乱的商业决议计划，在考虑是否要供应相容性时，须慎重考量其间的利害。在有些状况下，相容性或许是必要的（如用于举动电话的耳机麦克风），但在其他一些状况下，添加相容性则是不或许做到的，或是本钱会变得过分贵重（如简略的红外线遥控器）。
通讯技能认证本钱高 射频发射器规划考量多
许多时分，当规划人员计画要施行一项特定的射频规范时，仅注意到全体的硬件本钱，反而疏忽施行某项规范的本钱。任何射频发射器都需求通过认证，且非射频发射器依然须通过FCC或CE的认证。可是，它们的运作较为简略及廉价。关于任何无线传感器而言，FCC认证是无可避免的，所以当规划人员在比较不同解决计划时，这项本钱要素是可以搁在一旁的。
运用规范的全体本钱将视所施行的无线规范为何而定，或许会比原先所预期的高出许多。假如是运用特别规范的本钱，将远比仅是硬件与软件的本钱高出甚多。这些本钱一般来自于安排会员资历、规范契合性测验、特定的特性测验、特定的硬件Sniffer东西等。ZigBee的认证本钱大约在3，000美元，这仅仅仅认证自身的费用罢了。但实践上，在请求任何认证之前，咱们须进行一些特定的预先测验，以及估量这个元件是否可以通过此项认证。专业的测验设备能以每月 750美元的费用租借。
乍看之下，这些额定本钱好像不是十分高，可是，许多时分选用特定规范也让用户有必要支付会员资历的本钱，也或许是有必要给付的权利金。射频规范的认证本钱总是转化成额定的本钱以及额定的延误，一直到产品上市停止。
硬件自身的单位本钱一般是每一万个单位时，会落在1-1.5美元这个范围内。当仅出产低数量的产品时，一切的上述本钱将会对每单位的全体本钱形成影响。假设咱们仅将FCC归入考量，认证的本钱大约是10，000美元，而这样的状况将导致单位价格倍增。射频规范的认证（认证自身的本钱、预先测验以及射频测验设备）将很容易地就超越10，000美元，形成不小的本钱压力。
确保传输牢靠度 整合型发射器人物吃重
特定的无线规范将有必要运用到专用的芯片（如IEEE 802.15.4），假设用户仅是需求单向通讯罢了，则简略的工业、科学及医疗频段（ISM-band）发射器就可彻底满意该运用需求。可是，能量搜集型无线传感器节点须契合一些最低的标准要求，运用高材料传输速率是较好的。
一般来说，较高的材料传输速率也需求多一点的功率，可是全体的封包长度就会小许多，因而会耗费较少的能量，可运用的调变形式包括振幅移位键控（ASK）、开关键控（OOK），及频率移位键控（FSK）。振幅移位键控调变会运用较少的能量，这是由于射频功率较小时，它是有周期存在的。
关于振幅移位键控而言，其全体均匀的耗费电流将会较低。尽管如此，频率移位键控依然是首选的调变形式，这是由于它实质上可以有较高的材料传输速率。例如，PIC12LF1840T48A微控制器（MCU）有着微芯（Microchip）所供应的整合型发射器，它在开关键控调变下的传输速率为 10kbit/s，而在频率移位键控调变下的传输速率则为100kbit/s。在这种状况下，当运用频率移位键控调变时，材料的传送速度可以快上十倍。
相同的，从射频接纳器的视点来看，相较于振幅移位键控调变，频率移位键控调变接纳器的接纳灵敏度较佳且频率移位键控信号的解码才能也较好，特别是在较高的材料传输速率时。
无线能量搜集传感器在运作时，要尽或许运用较少的能量。这个意图可以透过在元件上运用低功率停机形式（Low-power Shutdown Modes）来细心的平衡发动周期（Active Periods），从而达到这个意图。依据此运用自身的呼应时刻，传感器将会定时发送更多或是较少的已丈量到的传感器资讯。在两个主动周期之间的时刻越长，则均匀的耗费功率就越低，并且能下降实在的能量运用量。
传感器或许也需求在两个无线电传送之间来撷取多个材料样本。依据所撷取到的实践物理资讯，来决定要罗致更多或较少的电流。典型的典范包括有运算放大器 （Op Amp）以及桥式荷重元（Bridge Load Cell），这些元件在发动时（相较于发送射频材料时所须罗致的电流）需求相对较很多的电流。
在实践的无线射频发射装备上需求特别注意一些事项，像是振幅或频率调变、资讯被传送的速度（位元率或频率偏移），以及射频输出到天线的功率等参数，全都对全体的功率耗费有着严重的影响。依据经历规律，射频元件发动的时刻越短，则均匀功率耗费就越小，这样的规律亦相同适用于此。
整个体系有必要通过细致的规划，藉此消除一切不必要的功率运用，例如让发光二极体（LED）在一切时刻都坚持敞开状况是不必要的；处理器有必要坚持在低功率状况下，时刻越久越好。在印刷电路板（PCB）上的一切其他元件，当不运用时就有必要可以进入低功耗的待机形式或暂时的封闭。
下降传输功耗 传感器产品寿数提高
PIC12LF1840T48A元件上的射频发射器，具有高达200kHz的最大频率偏移，如此将能答应有着100kHz的最大位元传输速率。假设咱们运用较小的材料封包来组成一个16位元的前序（Preamble）编码、一个16位元的同步形式（Synchronization Pattern）以及一个32位元的装载材料（Payload），则它将仅须花费640μs传送一个完好的材料封包。能量的丈量单位是焦耳（J），底子焦耳的核算公式为1焦耳=1瓦×1秒=1伏特（V）×1安培（A）×1秒。所以咱们很简略就能核算出传送一组材料封包的能量耗费为能量 1=10.5mA×640μs与10.5mA×3.0伏特×640μs=31.5mW×640μs=20.16微焦耳。
以PIC12LF1840T48A这款产品做为规划典范，石英振荡器的发动时刻一般是650μs，并且当它发动石英振荡器时，会罗致大约5mA电流。发动时的功率耗费为能量1=5mA×3伏特×650μs=9.75微焦耳。
在典范中，实践的材料传输是包括16位元的前序编码、16位元的同步形式以及一个32位元的材料。依据选定的位元率100kbit/s，传输周期将是 640μs。就+0dB在868MHz的射频传输而言，选用频率移位键控调变的状况下，功率耗费是12mA，公式为能量2=12mA×3伏特 ×640μs=23.04微焦耳。假设运用简略的10kbit/s来进行传输，这时所运用的能量将会是能量2=7.5mA×3伏特×6.40μs=144 微焦耳，这项比较仅仅要勾勒出运用较高材料传输速率的重要性。
在传送出最终一个材料位元后，这款P%&&&&&%12F1840T48A发射器将会主动进入逾时（Timeout）并回復到低功率的停机状况。这个逾时期间的最小值是2μs。这将导致额定的功率耗费为能量3=12mA×3伏特×2μs=72微焦耳。因而，传输一个材料封包所罗致的总能量为：能量=能量1+能量2+ 能量3=9.75微焦耳+23.04微焦耳+72微焦耳=104.79微焦耳。
一个微型的太阳能电池可以发生的输出电流为4.5μA@3伏特；可是，如此一来该电池将必然发动长达多秒，才可以得到满足的能量来供应一个材料传输。举例而言，运用一个低本钱的太阳能电池可以发生3伏特与6mA，而这仅能发生如下的能量：3伏特×40μA=140微瓦。咱们现在可以核算看看需求多长时刻来搜集传送一个单一材料传输所需的能量：时刻=104.79微焦耳/140微瓦=0.74秒。
这意味这个传感器单元在两个接连的材料传输之间，有必要等候大约小于1秒的时刻。别的也有必要要考虑到的是，上述的核算是依据太阳能电池有着无止境的恒常光源。当然，关于大多数一般的状况而言，这并不是实在的状况，由于首要的能量来历是天然光，而这是仅在白日才有的。在这种状况下，上述的核算有必要予以扩展，也便是它有必要考虑到在白日的时分，搜集体系有必要贮存能量以供夜间在没有天然光线时所用。此外，由实践的传感器在丈量时所需的能量，并没有被核算在这个典范中。
动力搜集解决计划助阵 传感器实用性大跃升
依据实践的体系需求标准，现在能量搜集可以有多种能量贮存的方法，例如搜集能量到超级%&&&&&%与NiMH可充电式电池中，可使用从太阳能电池进行涓流充电，所以并不需求运用充电稳压器。
在某些状况下，当首要的能量来历（如光线与热能）是可继续不断供应，并且所发生的能量是满足供应无线传感器的线路运用时，则此刻就毋须把能量存到单个的元件上。当然的，这个选项的适用性是十分有限的。
当规划人员在开发低功率无线传感器节点时，运用能量搜集这种解决计划的首要优点并不在于这种无线解决计划可节约单位本钱，而是在于布置与保护这个无线传感器体系时的本钱可大幅节约。
试想，有多少次保护人员有必要在清晨一点钟，爬到梯子上替换烟雾侦测器里的电池呢？这种在监控以及替换无线传感器网络电池的保护本钱，很容易的就会超越每单位所节约的本钱，尤其是当无线传感器体系是被安装在偏僻或是难以抵达的区域，此一作用更为明显。
在须进行定时保护服务时，无线体系的巨细（传感器的数目）也会成为首要的考量要素。
能量搜集技能可搜集「免费」能量并贮存这个能量，以供实在需求时运用，而不是针对无线体系的功率运用量处处受限，以确保有着5年以上的电池寿数，让客户在这期间不需求替换电池。
能量搜集型无线传感器节点现在已可被规划成更具有价格竞争力的产品。值得注意的是，假如该项事务并不须援助如ZigBee或无线区域网络（Wi-Fi）等较杂乱的无线网络规范时，大多数的新式无线传感器规划，乃至不需求电池，即可从光线、无线电波、机械能及热能等不同的首要能量来历来撷取能量。
在正常状况下，一个能量搜集型低功率无线传感器，简直是可以无止境继续运作，并且肯定不需求任何人类的干涉，这类型的产品将可以明显节约保护本钱，特别是当此一传感器是被设备放在人类很难或是底子不或许进去的地方时。体系开发人员透过愈加审慎地挑选通讯协议、材料的传输率，以及更好的使用新式射频元件的电源办理特性，将可为用户大幅下降全体功率需求，从而下降无线传感器解决计划的本钱。
（本文作者皆任职于微芯）
