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PlantWeb大学：无线技术电源管理
企业：艾默生 日期：2009-05-18
领域：运动控制 点击数：777
                    √ 电源                  √ 网络技术
                    √ 无线设备              √ 工作周期
                    √ 同步                  √ 设备供应商选择

概述

    无线网络正迅速在工业环境中安家落户。无线网络的使用，使电线退出了舞台，避免了向每一个网络部件敷设电缆的费用和麻烦，也同时将传统的供电路径废除了。  

    那么要如何才能够为每一个现场设备，包括现场设备无线收发装置、传感器，以及嵌入式电子部件提供电源呢？ 哪种方法供电最有效，可以不用频繁更换电池呢？  

    答案是，只要选择能够提供较高的能量效率的技术以及高级电源管理技术即可做到。 

电源

    无线现场设备的供电有三种常见的方法: 

    本地供电

    电池

    能量搜集

电源-本地供电

    为每一个设备都提供一个有线连接的本地电源可能费用很高，但是在某些情况下这样做是可行的：

    本地电源非常便利；

    传感器功率较高；

    需要提供额外的电源来支持频繁的信号传输；

    长距离数据传输时。

电源-电池

    电池供电的方式简单，价格低，易于安装。 但是仍然需要定期更换，而频繁的更换会增加人工、停工期以及库存费用。 

    因此电池适用于耗能较低，从而电池的使用寿命可以延长的场合。 这就意味着传感器及其无线收发装置的功率要低，传输距离要短。 

    您还可以让系统经常性地减少——甚或关闭设备的电能消耗——以此来增加电池的寿命。 这种方式常常称作“睡眠模式”。 

    电池寿命一般以年为单位来衡量。 通常锂电池是一个很好的选择，因为它们寿命较长，功率体积比很高。 

    可充电电池由于需要充电的缘故一般不推荐使用。 它们的自放电也比较快，充电能力也随着时间的延长而降低。 

    但是，假如您有一个成本较低，常常更新的充电电源的话，使用充电电池亦无不可。 我们下面将谈到这个问题。 

电源-能量搜集技术

    能量搜集技术将环境中的能量转换为电能，从而减少或者干脆消除对电池电源的需要。 

    能量搜集技术的产生可以追溯到水轮或者风车技术，以及从废热或振动中汲取能量的方法，而这些技术早已存在了几十年之久了。 如今这些古老的技术却重新焕发青春，对于小型的，分布广泛而功率较低的电子部件例如无线传感器的供电而言，变得日益重要。 

    大多数工厂都拥有各种能量来源可供利用，生产出功率虽小但是对于低能耗的无线设备而言却已足够的电能，这些能源包括：

    太阳能——利用光电池将光能转换为电能；

    振动能——物理运动，例如管道或其它设备的振动也可以被转换为电能；

    热能——利用热电材料可以将多余的热能或温度的变化转换成电能。

    所有这些方法都有其局限性。例如太阳能在夜晚和阴天的时候就无法使用了，而且，一般而言，能量搜集技术比起电池供电费用更高。能量搜集装置的安装方面也比较复杂。 

    不管局限性如何，现在正有越来越多的供应商在将能量管理技术同低能耗设备结合起来。 这些设备利用可以搜集到的有限能源即可维持工作。 

    现在我们已经看到了各种可以用于无线设备的潜在能源。让我们再来看一下同一个问题的另外一个方面：如何利用正确的技术和方法来使能量要求达到最小。

网络技术

    选择不同的无线现场网络技术，对能量消耗具有不同的影响，如图1所示。

    利用蜂窝网络传送数据的无线设备信号收发装置对电源功率的要求最高——可达3瓦之多——这是因为数据在抵达发射塔之前需要旅行很长的距离。 

    Wi-Fi 无线通信也需要较高的功率来发送较大的数据包，功率范围为100mW 到1W。 

    自组织网络的无线通信是迄今为止能量效率最低的技术。它们要求的功率低于1mW， 之所以这么低是因为大多数信号仅在很短的距离范围内传输（到下一个网络节点即可）而且更新率也通常较低，大约每分钟一次左右。

                    图1   网络技术是影响功率消耗的因素之一

无线设备

    您可以选择三种无线设备——每一种对电源都有不同的要求，如图2所示： 

    一个传输4~20mA模拟信号的无线设备需要按240mW的 功率（20mA, 12V ）来为传感器供电。

    从传统的测量传感器发送数字HART数据时， 无线设备需要按48mW （4mA， 12V）的功率来为传感器供电。

    集成的无线/传感器设备，在利用HART技术以及低功率电子部件新技术之后仅需要按2.5mW 的功率（0.5mA, 5V ）来为传感器供电。 

                             图2   集成的无线

    集成的无线/传感器设备利用低功率电子部件的优点来减少能耗。 

    如果延长电池寿命对于维护要求的最小化非常重要，集成设备无疑成为首选。 

    假如您想在现有的设备上应用无线技术并需要在短距离内以较低的更新率来传送数据包，那么另外两种选择也很合适。 

工作周期

    到现在为止，您已经学到通过为您的网络选择正确的无线技术、传感器和电源，能量消耗可以大大地降低，而且设备的耗能越低，电池可以持续的时间也就越长。 这一点非常重要，因为您不会希望频繁更换电池产生的费用将开始时在接线和安装方面节省的费用吞掉。  

    但是能量消耗不仅仅是功率的问题。 它还包括电源应用的频繁度——以及时间长度。 

    能量＝功率×工作时间

    因此您可以通过设定电子部件在通电和“睡眠”模式之间的工作周期，使能量效率的提高向前大大地迈出一步。

    在工作循环中，传感器的电子部件和无线通信装置并非一直处于供电状态。 首先是传感器通电，时间要足够长以便完成测量，然后传感器转入睡眠模式，这时耗电几乎为零。 接着无线通信装置要通电很短一段时间只要足够发送数据即可。 在数据发送完成之后，装置自行断电，进入睡眠模式，直到下一次预定测量时间的来临，如图3所示。

                   图3   工作循环设定可以帮助减少平均功率消耗

    通过延长测量的间隔时间，能量效率可以进一步延长。 如果您无意每几个月就更换一次电池或者改成硬线连接供电方式的话，无线设备的测量数据更新率可以设定得比有线系统更低为好。 

    为了帮助您优化测量频率， 有些供应商会提供一张图表，显示电池寿命和更新率之间的关系。 对于设计良好的设备来说，电池寿命在安装使用的情况下其预计时间不是几个月，而是几年。 

同步

    电池寿命还受到无线现场网络的通信同步技术的影响。 有两种同步方法： CSMA (载波侦听多路访问)和TDMA( 时分多址)。

    在CSMA模式下，所有的网络设备在同一时间从睡眠模式中醒来并试图通信。如果有两条信息在网络上“碰撞”，每个设备都会反复重新发送信息，直到成功为止。 

    CSMA主要的缺点在于，网络规模的增加意味着信息交通量的增加，因此碰撞也随之增加。碰撞越多，碰撞信息重新发送需要的功率也就越大。 功耗越高，电池寿命也就越短。 这就是为什么CSMA仅仅适用于最小的电池供电网络的原因。通常这种网络用于住宅区或者商业环境。 

    利用TDMA， 每一套无线设备都很确切地知道网络通信需要在何时，以多高的频度进行。 这种方法的优点是， 每条信息都有一个特定的时隙，并在这个时隙内穿行于网络，而信息之间也无碰撞发生的可能。 

    作为结果， TDMA 成为最稳健可靠的同步方法，可以在工厂条件下获得真实的升级能力，但是使用的能量却要少于CSMA. 

设备供应商选择

    无线设备及网络设备的供应商一般都对本课程中讲述的电源管理技术及其折衷方案非常谙熟。 其中大多数供应商都想尽办法，努力提供合适的产品，帮助客户在能量使用和应用要求方面做出权衡。 

    在您评估供应商的时候，可以在如下方面进行询问：

    应用TDMA协议的自组织网络技术

    利用低功率电子部件制造的产品，尤其是具有功耗最小化设计的集成式无线/传感器装置

    仪器设备在不进行测量/传输的时候自行进入睡眠模式――并能迅速“醒来”，无功耗较高的预热阶段。 

    用户可以自行设置更新率

    以能量搜集方式来补充或替换电池电源

总结

    通过能量搜集技术，对电池电源的需求可以大大地减少或干脆消除了

    自组织网络比蜂窝技术或Wi-Fi网络的能量效率更高。 

    在无线现场网络中，TDMA 信息同步技术比CSMA 具有更高的能量效率，可升级性也更好。 

    工作周期设定（仅在需要时给仪表供电）进一步减少了对能量的要求。
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