振動能為傳感器網(wǎng)絡注入環(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，這場悲劇揭示了美國全國所面臨的一個嚴重問題。大家所依賴的大部分交通基礎設施日趨老化，因此需要維修。事實上，聯(lián)邦公路管理局 (Federal Highway Administration) 早在 2006 就已經列出：全國有四分之一以上的橋梁均存在嚴重問題，有的存在結構缺陷；有的已經喪失功能。我們又該如何在避免將來再次發(fā)生此類災難的同時延長這些設施的使用壽命？
外觀檢查顯然已不能滿足檢驗需求：I-35W 大橋已經通過了例行外觀檢查。更新穎、全面的檢查方法是利用傳感器監(jiān)測架構振動，然后將監(jiān)測結果發(fā)送到數(shù)據(jù)收集點分析何時何處有可能出現(xiàn)問題。過去獲得大橋這種詳細結構分析不但難以實現(xiàn)，而且成本高昂。為每個傳感器發(fā)射器供電通常需要昂貴的布線；即使設備的運行不采用電源與通信線路，也需要例行維護，以便更換電池。出于維護需求，禁止將傳感器布置到難以接近、但可能對監(jiān)測非常有利的地點，因此就無法收集到充足的數(shù)據(jù)，安全性隨之嚴重降低。
不過，AdaptivEnergy 公司目前推出的一項新技術有可能將遠程架構與安全監(jiān)控變得既簡單、又經濟。AdaptivEnergy 的 Joule-Thief 技術并不依賴電池運行，它能夠收集并儲存振動產生的能量，然后利用儲存的電量驅動微處理器、各種傳感器以及無線發(fā)射器。德州儀器 (TI) 超低功耗微處理器 (MCU) 與射頻 (RF) 技術可收集振動數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)整體運行，并且每隔一段時間向收集點發(fā)送一次消息。
Joule-Thief 能夠收集交通工具經過大橋時產生的振動能量，然后將橋梁上所有傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到收集點，在此進行分析，以監(jiān)控結構牢固性。Joule-Thief 驅動的無線傳感器可在無需維護的情況下全年運行，收集并發(fā)送重要信息，幫助保護大橋、樓宇、車輛以及機械設備中的生命并節(jié)約其成本。
實現(xiàn)環(huán)境智能
Joule-Thief 技術屬于一種可利用振動能的能量收集新技術。由于我們周圍的一切都存在不同程度的振動，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動輪子，不過目前最著名的形式是利用太陽能電池板、風力渦輪機等電力來源。為了滿足少量用電需求，射頻識別 (RFID) 無線收費標簽、倉庫貨盤標記、信用卡刷卡系統(tǒng) (wave-and-go credit card) 等眾多應用有時會采用環(huán)境無線電波。這些標識卡片被動接收來自 RFID 讀取器的能量，然后發(fā)出用于識別的小能量響應。
此外，Joule-Thief 技術還可收集機械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它架構產生的一般機械振動能。小型傳感器發(fā)射器可安裝到車門、電動馬達基座等狹小空間。傳感器在這里無需電池、電源線路或通信布線即可進行工作，而且能夠在不需要維護情況下無限期工作。因此，該技術尤其適合需要長使用壽命、高溫運行或者人員難以接近的應用中。此外，它還可用作在環(huán)境條件需要時“喚醒”休眠電子產品的有效方法。
在 AdaptivEnergy 準備設計其 Joule-Thief 技術時，其工程師在即將開始開發(fā)時遇到了對最終結果產生重要影響的選擇。
在開發(fā)過程前期，AdaptivEnergy 認識到他們還需要采用具有超低功耗、成熟的信號處理能力來達到設計目標。其中一個原因是，在振動水平較低時，能量收集設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)運行并且發(fā)送相關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行。
利用現(xiàn)代超低功耗微處理器的另一個優(yōu)勢是能夠從待機與關閉狀態(tài)立即喚醒。尤其是 MSP430 MCU 在工作期間功耗極小，在待機模式下功耗僅為可忽略不計的 0.5µA，而且可在不到 1微秒內喚醒。MSP430 MCU 混合信號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，同時還可降低成本并縮短產品上市時間。
在對比眾多不同選擇的性能與價格之后，AdaptivEnergy 選中了 TI MSP430 MCU 與 RF 收發(fā)器芯片組，因為它們能夠利用能量收集器產生與儲存的低電量提供盡可能高的處理與傳輸能力。圖 1 與圖 2 將能量積累與恢復時間同輸入振幅進行了對比。
實現(xiàn)低成本環(huán)境智能的關鍵是通過收集的能量驅動傳感器發(fā)射器，這種智能可感測、監(jiān)控并報告工廠、辦公室、車輛、住宅、購物中心、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。在每年安裝的億萬個無線傳感器節(jié)點中，越來越多的節(jié)點由收集的運動能量驅動。
構架監(jiān)控不但對橋梁重要，對高樓大廈與體育館等建筑物同樣如此，因為其中被忽視的立柱與橫梁腐朽有可能造成災難。在工廠的馬達與其它機械設備中，傳感器可提醒工作人員注意磨損的軸承以及需要維護的其它問題，預測故障，幫助避免高成本的故障，從而延長設備使用壽命。
而潛在的回報非常豐厚：設備行業(yè)信息來源估計基于資產監(jiān)控的預防性維護每年可節(jié)省數(shù)百億美元，可能占每年美國在機械維護方面開支超過 1.3 萬億美元支出的 5％。其它節(jié)約主要來自運行中功耗與機械設備更換頻次的降低以及設備停機時工廠停產時間等方面。
汽車中由振動供電的無線傳感器可提高安全性，同時還有助于減輕裝配線路中每輛汽車重達 300～500 磅的布線。振動供電的胎壓監(jiān)控系統(tǒng)可取消當前系統(tǒng)的電池。
能量收集傳感器對于航空業(yè)具有與其對車輛相同、甚至更高的重要性。除其它功能之外，此類傳感器還可針對航空器框架的完整性進行安全性監(jiān)控，甚至可從無法進入的隱蔽或偏僻空間或者溫度極高的地方進行監(jiān)控。商業(yè)飛機中每英尺布線就會消耗大約 2000 美元的安裝與終生維護成本，這還不包括消耗的燃油或備用電池。通過消除布線與電池，具有無線傳輸功能、由振動供電的傳感器可為這個對成本敏感的行業(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 用于采集能量的運動可以來自機械振動之外的運動源，如：壓力或氣流；而其輸出除為振動傳感器供電以外，還可針對溫度、化學、光線、濕度以及其它環(huán)境條件傳感器提供動力。實現(xiàn)基于傳感器的自動化不但可節(jié)約能量成本，而且還可使家庭與工作場所變得更環(huán)保、舒適。
列車車廂與集裝箱可將振動供電的器件用于協(xié)助跟蹤的有源射頻識別 (RFID)。這種技術最終可能用到人類的服飾，以減少我們攜帶的電池數(shù)量，這種應用尤其是對減輕戰(zhàn)場上士兵的負擔具有重要意義。此外，AdaptivEnergy 還與 In-Q-Tel 達成了戰(zhàn)略協(xié)議，該公司是一家發(fā)掘可為美國情報機構的使命提供支持的創(chuàng)新技術、以便開發(fā)情報收集應用的公司。
高效能量收集
Joule-Thief 技術的核心是一種壓電陶瓷智能能量束 (Smart Energy Beam)，可對運動做出響應，然后將振動轉化成能量，以便儲存供隨后使用。AdaptivEnergy 的 Ruggedized Laminated Piezo (RLP) 技術可為壓電陶瓷材料預先施加應力，以達到超過非應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在一起的高級聚酰亞胺工藝允許對陶瓷施加高 4～10 倍的應力，因而可提高電力。此外，RLP 技術還使能量束能夠感測到人手感覺不到的運動，從而可有效收集廣泛振動頻譜范圍內的能量。
由于 Joule-Thief 能量束具有可擴展性，因此它們可根據(jù)應用的功率需求制成各種長度與寬度。AdaptivEnergy 開發(fā)了效率較傳統(tǒng)整流與電容器儲存技術高得多的電子設備，可將電能儲存許多小時，在必要時，甚至可在機械靜止環(huán)境中儲存，從而實現(xiàn)對所產生能量的收集。此外，如果相關應用需要更高能量儲存，則設備的 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)字無線應用。MSP430 MCU 在工作以及待機模式下具有極低功耗。整個系統(tǒng)如圖 3 所示。
不足 1 微秒的待機模式快速喚醒可提供快速響應，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，同時還可實現(xiàn)適合各種環(huán)境智能應用的免維護無線傳感器。集成模數(shù)轉換器 (ADC) 與脈寬調制 (PWM) 輸出簡化了 AdaptivEnergy 將傳感器系統(tǒng)連接到外部電路的設計，而多樣化時鐘方案與 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，閃存可實現(xiàn)用于感測、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。
能量收集是一個重要的電源技術新領域，該技術可利用建筑構架、車輛以及機械內在的振動產生電能，無需布線與電池，即可驅動傳感器，從而不但可滿足風力與太陽能系統(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現(xiàn)更廣泛的環(huán)境智能，以提高安全性與可靠性，同時還可降低各種應用領域的重量、空間以及安裝與維護成本。