振動(dòng)能為傳感器網(wǎng)絡(luò)注入環(huán)境智能

2007 年8月1 日，位于明尼阿波利斯的 I-35W 密西西比河大橋轟然坍塌，有 13 人遇難，100 多人受傷，這場(chǎng)悲劇揭示了美國(guó)全國(guó)所面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。大家所依賴的大部分交通基礎(chǔ)設(shè)施日趨老化，因此需要維修。事實(shí)上，聯(lián)邦公路管理局 (Federal Highway Administration) 早在 2006 就已經(jīng)列出：全國(guó)有四分之一以上的橋梁均存在嚴(yán)重問(wèn)題，有的存在結(jié)構(gòu)缺陷；有的已經(jīng)喪失功能。我們又該如何在避免將來(lái)再次發(fā)生此類災(zāi)難的同時(shí)延長(zhǎng)這些設(shè)施的使用壽命？
外觀檢查顯然已不能滿足檢驗(yàn)需求：I-35W 大橋已經(jīng)通過(guò)了例行外觀檢查。更新穎、全面的檢查方法是利用傳感器監(jiān)測(cè)架構(gòu)振動(dòng)，然后將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)收集點(diǎn)分析何時(shí)何處有可能出現(xiàn)問(wèn)題。過(guò)去獲得大橋這種詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析不但難以實(shí)現(xiàn)，而且成本高昂。為每個(gè)傳感器發(fā)射器供電通常需要昂貴的布線；即使設(shè)備的運(yùn)行不采用電源與通信線路，也需要例行維護(hù)，以便更換電池。出于維護(hù)需求，禁止將傳感器布置到難以接近、但可能對(duì)監(jiān)測(cè)非常有利的地點(diǎn)，因此就無(wú)法收集到充足的數(shù)據(jù)，安全性隨之嚴(yán)重降低。
不過(guò)，AdaptivEnergy 公司目前推出的一項(xiàng)新技術(shù)有可能將遠(yuǎn)程架構(gòu)與安全監(jiān)控變得既簡(jiǎn)單、又經(jīng)濟(jì)。AdaptivEnergy 的 Joule-Thief 技術(shù)并不依賴電池運(yùn)行，它能夠收集并儲(chǔ)存振動(dòng)產(chǎn)生的能量，然后利用儲(chǔ)存的電量驅(qū)動(dòng)微處理器、各種傳感器以及無(wú)線發(fā)射器。德州儀器 (TI) 超低功耗微處理器 (MCU) 與射頻 (RF) 技術(shù)可收集振動(dòng)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)整體運(yùn)行，并且每隔一段時(shí)間向收集點(diǎn)發(fā)送一次消息。
Joule-Thief 能夠收集交通工具經(jīng)過(guò)大橋時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，然后將橋梁上所有傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到收集點(diǎn)，在此進(jìn)行分析，以監(jiān)控結(jié)構(gòu)牢固性。Joule-Thief 驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器可在無(wú)需維護(hù)的情況下全年運(yùn)行，收集并發(fā)送重要信息，幫助保護(hù)大橋、樓宇、車輛以及機(jī)械設(shè)備中的生命并節(jié)約其成本。
實(shí)現(xiàn)環(huán)境智能
Joule-Thief 技術(shù)屬于一種可利用振動(dòng)能的能量收集新技術(shù)。由于我們周圍的一切都存在不同程度的振動(dòng)，因此幾乎任何東西都可成為潛在的能源?？赡茏罟爬系哪芰渴占问绞抢昧魉D(zhuǎn)動(dòng)輪子，不過(guò)目前最著名的形式是利用太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)等電力來(lái)源。為了滿足少量用電需求，射頻識(shí)別 (RFID) 無(wú)線收費(fèi)標(biāo)簽、倉(cāng)庫(kù)貨盤標(biāo)記、信用卡刷卡系統(tǒng) (wave-and-go credit card) 等眾多應(yīng)用有時(shí)會(huì)采用環(huán)境無(wú)線電波。這些標(biāo)識(shí)卡片被動(dòng)接收來(lái)自 RFID 讀取器的能量，然后發(fā)出用于識(shí)別的小能量響應(yīng)。
此外，Joule-Thief 技術(shù)還可收集機(jī)械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它架構(gòu)產(chǎn)生的一般機(jī)械振動(dòng)能。小型傳感器發(fā)射器可安裝到車門、電動(dòng)馬達(dá)基座等狹小空間。傳感器在這里無(wú)需電池、電源線路或通信布線即可進(jìn)行工作，而且能夠在不需要維護(hù)情況下無(wú)限期工作。因此，該技術(shù)尤其適合需要長(zhǎng)使用壽命、高溫運(yùn)行或者人員難以接近的應(yīng)用中。此外，它還可用作在環(huán)境條件需要時(shí)“喚醒”休眠電子產(chǎn)品的有效方法。
在 AdaptivEnergy 準(zhǔn)備設(shè)計(jì)其 Joule-Thief 技術(shù)時(shí)，其工程師在即將開始開發(fā)時(shí)遇到了對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生重要影響的選擇。
在開發(fā)過(guò)程前期，AdaptivEnergy 認(rèn)識(shí)到他們還需要采用具有超低功耗、成熟的信號(hào)處理能力來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中一個(gè)原因是，在振動(dòng)水平較低時(shí)，能量收集設(shè)備一般只能收集很少的能量，因此用于收集傳感器信息、控制系統(tǒng)運(yùn)行并且發(fā)送相關(guān)信息的微處理器以及 RF 收發(fā)器需要能夠利用少量功率即可正常運(yùn)行。
利用現(xiàn)代超低功耗微處理器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠從待機(jī)與關(guān)閉狀態(tài)立即喚醒。尤其是 MSP430 MCU 在工作期間功耗極小，在待機(jī)模式下功耗僅為可忽略不計(jì)的 0.5µA，而且可在不到 1微秒內(nèi)喚醒。MSP430 MCU 混合信號(hào)集成功能有助于降低 AdaptivEnergy 的組件總數(shù)，從而可改善數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理性能，同時(shí)還可降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
在對(duì)比眾多不同選擇的性能與價(jià)格之后，AdaptivEnergy 選中了 TI MSP430 MCU 與 RF 收發(fā)器芯片組，因?yàn)樗鼈兡軌蚶媚芰渴占鳟a(chǎn)生與儲(chǔ)存的低電量提供盡可能高的處理與傳輸能力。圖 1 與圖 2 將能量積累與恢復(fù)時(shí)間同輸入振幅進(jìn)行了對(duì)比。
實(shí)現(xiàn)低成本環(huán)境智能的關(guān)鍵是通過(guò)收集的能量驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射器，這種智能可感測(cè)、監(jiān)控并報(bào)告工廠、辦公室、車輛、住宅、購(gòu)物中心、交通樞紐等 — 總之，涵蓋幾乎所有人類環(huán)境與自然環(huán)境的狀況。在每年安裝的億萬(wàn)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中，越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)由收集的運(yùn)動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)。
構(gòu)架監(jiān)控不但對(duì)橋梁重要，對(duì)高樓大廈與體育館等建筑物同樣如此，因?yàn)槠渲斜缓鲆暤牧⒅c橫梁腐朽有可能造成災(zāi)難。在工廠的馬達(dá)與其它機(jī)械設(shè)備中，傳感器可提醒工作人員注意磨損的軸承以及需要維護(hù)的其它問(wèn)題，預(yù)測(cè)故障，幫助避免高成本的故障，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
而潛在的回報(bào)非常豐厚：設(shè)備行業(yè)信息來(lái)源估計(jì)基于資產(chǎn)監(jiān)控的預(yù)防性維護(hù)每年可節(jié)省數(shù)百億美元，可能占每年美國(guó)在機(jī)械維護(hù)方面開支超過(guò) 1.3 萬(wàn)億美元支出的 5％。其它節(jié)約主要來(lái)自運(yùn)行中功耗與機(jī)械設(shè)備更換頻次的降低以及設(shè)備停機(jī)時(shí)工廠停產(chǎn)時(shí)間等方面。
汽車中由振動(dòng)供電的無(wú)線傳感器可提高安全性，同時(shí)還有助于減輕裝配線路中每輛汽車重達(dá) 300～500 磅的布線。振動(dòng)供電的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)可取消當(dāng)前系統(tǒng)的電池。
能量收集傳感器對(duì)于航空業(yè)具有與其對(duì)車輛相同、甚至更高的重要性。除其它功能之外，此類傳感器還可針對(duì)航空器框架的完整性進(jìn)行安全性監(jiān)控，甚至可從無(wú)法進(jìn)入的隱蔽或偏僻空間或者溫度極高的地方進(jìn)行監(jiān)控。商業(yè)飛機(jī)中每英尺布線就會(huì)消耗大約 2000 美元的安裝與終生維護(hù)成本，這還不包括消耗的燃油或備用電池。通過(guò)消除布線與電池，具有無(wú)線傳輸功能、由振動(dòng)供電的傳感器可為這個(gè)對(duì)成本敏感的行業(yè)節(jié)省大量資金，將重量、空間以及燃油消耗降至最低。
Joule-Thief 用于采集能量的運(yùn)動(dòng)可以來(lái)自機(jī)械振動(dòng)之外的運(yùn)動(dòng)源，如：壓力或氣流；而其輸出除為振動(dòng)傳感器供電以外，還可針對(duì)溫度、化學(xué)、光線、濕度以及其它環(huán)境條件傳感器提供動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)基于傳感器的自動(dòng)化不但可節(jié)約能量成本，而且還可使家庭與工作場(chǎng)所變得更環(huán)保、舒適。
列車車廂與集裝箱可將振動(dòng)供電的器件用于協(xié)助跟蹤的有源射頻識(shí)別 (RFID)。這種技術(shù)最終可能用到人類的服飾，以減少我們攜帶的電池?cái)?shù)量，這種應(yīng)用尤其是對(duì)減輕戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的負(fù)擔(dān)具有重要意義。此外，AdaptivEnergy 還與 In-Q-Tel 達(dá)成了戰(zhàn)略協(xié)議，該公司是一家發(fā)掘可為美國(guó)情報(bào)機(jī)構(gòu)的使命提供支持的創(chuàng)新技術(shù)、以便開發(fā)情報(bào)收集應(yīng)用的公司。
高效能量收集
Joule-Thief 技術(shù)的核心是一種壓電陶瓷智能能量束 (Smart Energy Beam)，可對(duì)運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)，然后將振動(dòng)轉(zhuǎn)化成能量，以便儲(chǔ)存供隨后使用。AdaptivEnergy 的 Ruggedized Laminated Piezo (RLP) 技術(shù)可為壓電陶瓷材料預(yù)先施加應(yīng)力，以達(dá)到超過(guò)非應(yīng)力陶瓷的功率至尺寸與重量比。用于將陶瓷與金屬襯底粘結(jié)在一起的高級(jí)聚酰亞胺工藝允許對(duì)陶瓷施加高 4～10 倍的應(yīng)力，因而可提高電力。此外，RLP 技術(shù)還使能量束能夠感測(cè)到人手感覺(jué)不到的運(yùn)動(dòng)，從而可有效收集廣泛振動(dòng)頻譜范圍內(nèi)的能量。
由于 Joule-Thief 能量束具有可擴(kuò)展性，因此它們可根據(jù)應(yīng)用的功率需求制成各種長(zhǎng)度與寬度。AdaptivEnergy 開發(fā)了效率較傳統(tǒng)整流與電容器儲(chǔ)存技術(shù)高得多的電子設(shè)備，可將電能儲(chǔ)存許多小時(shí)，在必要時(shí)，甚至可在機(jī)械靜止環(huán)境中儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所產(chǎn)生能量的收集。此外，如果相關(guān)應(yīng)用需要更高能量?jī)?chǔ)存，則設(shè)備的 DC 輸出還可饋送到電池充電電路。
超低功耗控制與傳輸
基于由 MSP430F2274 MCU 與 CC2500 RF 收發(fā)器組成的芯片組的有源智能與通信可完善 RLP 智能能量束與收集電子產(chǎn)品。CC2500 RF 收發(fā)器可在 2.4GHz 頻段支持可靠的低成本數(shù)字無(wú)線應(yīng)用。MSP430 MCU 在工作以及待機(jī)模式下具有極低功耗。整個(gè)系統(tǒng)如圖 3 所示。
不足 1 微秒的待機(jī)模式快速喚醒可提供快速響應(yīng)，而片上系統(tǒng) (SoC) 集成幫助 AdaptivEnergy 公司節(jié)省了空間與電路板成本，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)適合各種環(huán)境智能應(yīng)用的免維護(hù)無(wú)線傳感器。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 與脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出簡(jiǎn)化了 AdaptivEnergy 將傳感器系統(tǒng)連接到外部電路的設(shè)計(jì)，而多樣化時(shí)鐘方案與 I/O 可提高嵌入式控制靈活性。在傳感器發(fā)射器用于規(guī)模更大的系統(tǒng)時(shí)，閃存可實(shí)現(xiàn)用于感測(cè)、通信以及其它功能的算法與控制軟件的輕松開發(fā)與升級(jí)。
能量收集是一個(gè)重要的電源技術(shù)新領(lǐng)域，該技術(shù)可利用建筑構(gòu)架、車輛以及機(jī)械內(nèi)在的振動(dòng)產(chǎn)生電能，無(wú)需布線與電池，即可驅(qū)動(dòng)傳感器，從而不但可滿足風(fēng)力與太陽(yáng)能系統(tǒng)的大規(guī)模需求，而且還可滿足傳感器等器件的小規(guī)模需求。本文所介紹的方法可實(shí)現(xiàn)更廣泛的環(huán)境智能，以提高安全性與可靠性，同時(shí)還可降低各種應(yīng)用領(lǐng)域的重量、空間以及安裝與維護(hù)成本。