√ 電源                  √ 網(wǎng)絡技術(shù)
                    √ 無線設備              √ 工作周期
                    √ 同步                  √ 設備供應商選擇

概述

    無線網(wǎng)絡正迅速在工業(yè)環(huán)境中安家落戶。無線網(wǎng)絡的使用，使電線退出了舞臺，避免了向每一個網(wǎng)絡部件敷設電纜的費用和麻煩，也同時將傳統(tǒng)的供電路徑廢除了。  

    那么要如何才能夠為每一個現(xiàn)場設備，包括現(xiàn)場設備無線收發(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)以及高級電源管理技術(shù)即可做到。 

電源

    無線現(xiàn)場設備的供電有三種常見的方法: 

    本地供電

    電池

    能量搜集

電源-本地供電

    為每一個設備都提供一個有線連接的本地電源可能費用很高，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支持頻繁的信號傳輸；

    長距離數(shù)據(jù)傳輸時。

電源-電池

    電池供電的方式簡單，價格低，易于安裝。 但是仍然需要定期更換，而頻繁的更換會增加人工、停工期以及庫存費用。 

    因此電池適用于耗能較低，從而電池的使用壽命可以延長的場合。 這就意味著傳感器及其無線收發(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)閉設備的電能消耗——以此來增加電池的壽命。 這種方式常常稱作“睡眠模式”。 

    電池壽命一般以年為單位來衡量。 通常鋰電池是一個很好的選擇，因為它們壽命較長，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，充電能力也隨著時間的延長而降低。 

    但是，假如您有一個成本較低，常常更新的充電電源的話，使用充電電池亦無不可。 我們下面將談到這個問題。 

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車技術(shù)，以及從廢熱或振動中汲取能量的方法，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，對于小型的，分布廣泛而功率較低的電子部件例如無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源可供利用，生產(chǎn)出功率雖小但是對于低能耗的無線設備而言卻已足夠的電能，這些能源包括：

    太陽能——利用光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能；

    振動能——物理運動，例如管道或其它設備的振動也可以被轉(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。例如太陽能在夜晚和陰天的時候就無法使用了，而且，一般而言，能量搜集技術(shù)比起電池供電費用更高。能量搜集裝置的安裝方面也比較復雜。 

    不管局限性如何，現(xiàn)在正有越來越多的供應商在將能量管理技術(shù)同低能耗設備結(jié)合起來。 這些設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線設備的潛在能源。讓我們再來看一下同一個問題的另外一個方面：如何利用正確的技術(shù)和方法來使能量要求達到最小。

網(wǎng)絡技術(shù)

    選擇不同的無線現(xiàn)場網(wǎng)絡技術(shù)，對能量消耗具有不同的影響，如圖1所示。

    利用蜂窩網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)的無線設備信號收發(fā)裝置對電源功率的要求最高——可達3瓦之多——這是因為數(shù)據(jù)在抵達發(fā)射塔之前需要旅行很長的距離。 

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

    自組織網(wǎng)絡的無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， 之所以這么低是因為大多數(shù)信號僅在很短的距離范圍內(nèi)傳輸（到下一個網(wǎng)絡節(jié)點即可）而且更新率也通常較低，大約每分鐘一次左右。

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

無線設備

    您可以選擇三種無線設備——每一種對電源都有不同的要求，如圖2所示： 

    一個傳輸4~20mA模擬信號的無線設備需要按240mW的 功率（20mA, 12V ）來為傳感器供電。

    從傳統(tǒng)的測量傳感器發(fā)送數(shù)字HART數(shù)據(jù)時， 無線設備需要按48mW （4mA， 12V）的功率來為傳感器供電。

    集成的無線/傳感器設備，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 ）來為傳感器供電。 

                             圖2   集成的無線

    集成的無線/傳感器設備利用低功率電子部件的優(yōu)點來減少能耗。 

    如果延長電池壽命對于維護要求的最小化非常重要，集成設備無疑成為首選。 

    假如您想在現(xiàn)有的設備上應用無線技術(shù)并需要在短距離內(nèi)以較低的更新率來傳送數(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)學到通過為您的網(wǎng)絡選擇正確的無線技術(shù)、傳感器和電源，能量消耗可以大大地降低，而且設備的耗能越低，電池可以持續(xù)的時間也就越長。 這一點非常重要，因為您不會希望頻繁更換電池產(chǎn)生的費用將開始時在接線和安裝方面節(jié)省的費用吞掉。  

    但是能量消耗不僅僅是功率的問題。 它還包括電源應用的頻繁度——以及時間長度。 

    能量＝功率×工作時間

    因此您可以通過設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，時間要足夠長以便完成測量，然后傳感器轉(zhuǎn)入睡眠模式，這時耗電幾乎為零。 接著無線通信裝置要通電很短一段時間只要足夠發(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，進入睡眠模式，直到下一次預定測量時間的來臨，如圖3所示。

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

    通過延長測量的間隔時間，能量效率可以進一步延長。 如果您無意每幾個月就更換一次電池或者改成硬線連接供電方式的話，無線設備的測量數(shù)據(jù)更新率可以設定得比有線系統(tǒng)更低為好。 

    為了幫助您優(yōu)化測量頻率， 有些供應商會提供一張圖表，顯示電池壽命和更新率之間的關(guān)系。 對于設計良好的設備來說，電池壽命在安裝使用的情況下其預計時間不是幾個月，而是幾年。 

同步

    電池壽命還受到無線現(xiàn)場網(wǎng)絡的通信同步技術(shù)的影響。 有兩種同步方法： CSMA (載波偵聽多路訪問)和TDMA( 時分多址)。

    在CSMA模式下，所有的網(wǎng)絡設備在同一時間從睡眠模式中醒來并試圖通信。如果有兩條信息在網(wǎng)絡上“碰撞”，每個設備都會反復重新發(fā)送信息，直到成功為止。 

    CSMA主要的缺點在于，網(wǎng)絡規(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)絡的原因。通常這種網(wǎng)絡用于住宅區(qū)或者商業(yè)環(huán)境。 

    利用TDMA， 每一套無線設備都很確切地知道網(wǎng)絡通信需要在何時，以多高的頻度進行。 這種方法的優(yōu)點是， 每條信息都有一個特定的時隙，并在這個時隙內(nèi)穿行于網(wǎng)絡，而信息之間也無碰撞發(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的升級能力，但是使用的能量卻要少于CSMA. 

設備供應商選擇

    無線設備及網(wǎng)絡設備的供應商一般都對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用要求方面做出權(quán)衡。 

    在您評估供應商的時候，可以在如下方面進行詢問：

    應用TDMA協(xié)議的自組織網(wǎng)絡技術(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計的集成式無線/傳感器裝置

    儀器設備在不進行測量/傳輸?shù)臅r候自行進入睡眠模式――并能迅速“醒來”，無功耗較高的預熱階段。 

    用戶可以自行設置更新率

    以能量搜集方式來補充或替換電池電源

總結(jié)

    通過能量搜集技術(shù)，對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)絡比蜂窩技術(shù)或Wi-Fi網(wǎng)絡的能量效率更高。 

    在無線現(xiàn)場網(wǎng)絡中，TDMA 信息同步技術(shù)比CSMA 具有更高的能量效率，可升級性也更好。 

    工作周期設定（僅在需要時給儀表供電）進一步減少了對能量的要求。