無線感測器如虎添翼　能源採集走入綠建築物聯網

以建築物自動化系統來說，像是在場(Occupancy)感測器、節溫器、甚至電燈開關，都拿掉以往裝配時一定用到的供電或控制線路，換成就地獵能(Energy Harvesting)的能量採集系統。

此外，興建商務與住宅結構的智慧建築，必須確保能源效率結構不會使用石化燃料產生的傳統電力能源。

因此，在商務建築方面，建築中注入智慧概念對於進駐其中的組織至關重要，因為具有能源效率且便利的建築，不僅能降低能源成本，還能為在裡面工作的人員提供高生產力的環境。然而，實踐智慧建築也會有許多缺點，舉例來說，這些建築需搭配適合的基礎設施，能提供必要的回饋訊息，才能讓冷暖空調系統有效率地運作、控制燈光、以及有效運用空間。這將促使各界必須採用物聯網(IoT)去監視與控制環境，同時也將增進對替代能源的依賴，以及必須有效管理與控制它們。

物聯網掀起智慧建築轉型

智慧建築將持續顛覆人們日常活動的方式。此外，結合節約能源方面的作為，智慧建築將協助節省開支，物聯網智慧建築掀起的一些趨勢將促成這波轉型。

其中一個很好的例子，就是如何運用感測器和其他IoT裝置來預防性維護，取得一份商業建築以及裡面所有設備的狀態報表。這樣的回饋訊息將讓業主能及時掌握時機，來進行必要的維護，不僅防範未然且確實有效，因為預防性維護計畫能夠發現各種無法預見的問題，並透過預防性維護的作法加以克服。

此外，員工生產力有可能因空氣品質不佳而受到負面影響。產業界針對這領域的研究，結果顯示員工在良好室內環境品質的建築工作時，所得到的效率會比在傳統建築中工作要高出10%。在這方面，物聯網裝置也可用來量測與檢查空氣品質，以及運用各種以網狀網路互連的感測器，來量測大氣中的二氧化碳濃度。這些裝置都連結到建築基礎設施的所有區域，進一步構成藉以讓環境以及每個人維持健康與生產力的方法。

還有一項新趨勢是預計將在智慧建築設置由物聯網支援的應用，其中一個例子是運用熱成像技術，讓設施管理者檢查設備是否超出運轉溫度範圍，這類異常狀況很容易被偵測出，因此業主能在設備跳出正常運作模式前進行維護。舉例來說，物聯網將改變商務設施管理者追蹤資訊、量測、以及蒐集資料的方式，包括以往難以派遣維修人員抵達的角落。所以在建築物各個位置安裝感測器，就能追蹤到所有的資訊，特別是那些過去無法偵測到的資訊。藉由透過物聯網互連的系統，設施管理者能取得此類涉及到運用這些系統的所有相關資訊。

此外，物聯網讓商界業主取得能源自足的建築。這不僅影響建築物的設計，還讓它們能環保且具資源效率。而且，這些智慧建築管理系統能從任何地點進行遠端管理，故能取代陳舊重型建築機具上的感測器，這些感測器可透過像是震動與溫度波動等跡象進行控制。顯然可見，物聯網的應用不僅能節省可觀的能源與金錢，還能降低維護成本。

物聯網為建築物帶來的其中一項最重要的影響就是能源效率。感測器網路提供的資訊不僅能更有效率地協助管理其資產，還能減少環境中的有害廢棄物，實際例子包括：

・使用各種感測器控制溫度

・為控制冷暖空調設備採用的制動器

・像是為建築物提供完整能源自動化機制這類複雜應用

・考慮採用天氣預測功能來節省即時能源成本　

無線感測器節點：能源採集關鍵應用

能源採集系統其中一項關鍵應用，是建築物自動化系統中的無線電感測器。根據年度數據來看，美國排名第一的能源用戶就是建築物，緊追在後的則是運輸以及工業部門。

運用了能源採集技術的無線感測器網路，可讓建築內的大量感測器彼此連結。當建築物或房間沒人在時，針對這些沒有用到的區域適時調整溫度或關掉電燈，藉以降低空調與電力成本。此外，能源採集電子元件的成本，通常低於供電線路的布線成本，也低於定期維護更換電池的成本，因此運用採集能源技巧明顯有經濟效益。

不過，若是每個節點都需要自己連接外部電源，那麼無線感測器網路的許多優點就會消失殆盡，就算是電源管理技術的持續發展，讓電子電路在相同供電下能運作得更長，但終究也有極限，而能源採集則提供補足的機制。能源採集能為無線感測器節點提供電力，方法是把附近環境能源轉換成可利用的供電能源。環境能源包括光線、溫差、機械震動、發送射頻訊號、或任何能透過換能器產生電荷的來源。這些能源遍布在我們身邊四周，透過適合的換能器就能轉換成電力，包括利用溫差的熱溫發電晶片(TEG)、利用震動的壓電元件，利用陽光(或室內光線)的太陽能電池，或甚至是利用溼氣的電流能源元件。這些所謂「免費」能源可運用在自主供電的電子元件以及系統。

由於整組無線感測器節點現在能在微瓦特等級的平均功率下運作，所以用非傳統電源為其供電也變得可行。而這也促成了能源採集的作法，若是要為系統中電池充電、補充、更換電池的流程造成不方便、不可行、所費不貲或危險，這些情況就適合換用能源採集。此外，能源採集也省去透過線路傳送電力或資料。

典型的能源採集組態或無線感測器節點(WSN)包含4個模組，如圖1所示，包括：

・環境能源來源

・換能器元件以及電力轉換電路，為下游電子元件供電

・感測元件，負責將節點連結到實體世界；運算元件，包含微處理器或微控制器，負責處理量測資料以及把資料儲存在記憶體

・通訊元件，包含短距無線電，負責與鄰近節點以及外界進行無線通訊

環境能源的例子包括TEG(或熱電堆)，連結到像是冷暖空調設備管道的熱源；或是連到窗戶玻璃等機械震動源的壓電元件。在熱源的例子中，一個精巧的熱電元件能把微幅的溫差轉換成電能。而在機械震動或形變的例子中，可用壓電元件將這些機械力轉換成電能。

在產生電能後，可以由能源採集電路加以轉換並調節成適合的型態，以便為下游電子元件供電。因此可透過微處理器喚醒感測器去執行讀取或量測，以及用類比數位轉換器(ADC)來操控感測器，再透過超低功耗的無線收發器進行傳輸。

當然，能源採集來源提供的電能取決於來源延續的時間。因此，比較擷取能源的主要標準為能量密度(Power Density)，而不是能源密度(Energy Density)。能源採集通常受限於偏低、變動、且無法預測的可用能量，因此一般會採用混合式結構，透過介面連結到採集元件以及一個次級儲電元件。採集器(Harvester)由於具有無限能源供應以及能量的有限性，因此扮演系統的能源來源角色。次級能量儲存元件，包括電池或電容，能產生較高的輸出功率，但儲存的能源比較少，能在需要時供應電力，但須定時從採集器接收電荷。因此，在沒有環境能源可供採集時，次級儲電元件就必須用來為WSN供電。

成功設計完全自足的無線感測系統，必須有省電微控制器與換能器，這些元件必須從低能源環境中獵能，並盡可能減少消耗的電量。現有的這類能源採集模組如圖1所示。它們通常包含低效能的分立組態，一般有30個或更多數量的元件。這樣的設計會有較低的轉換效率以及偏高的靜態電流。而這些缺陷也導致終端系統的效能不彰。

由於高靜態電流限制了能源採集來源的輸出低限，因此必須先克服本身運行所需電流的問題，然後才把剩下的電力傳到輸出端。此即為相關方案如ADI的PbL(Power by Linear)欲解決的問題。

LTC3109是一款高度整合的直流對直流轉換器與電源管理器。它能從各種極低的輸入電壓源，像是TEG、熱電堆、甚至小型太陽能電池等電壓源採集與管理多餘的能源。它的獨特專利自動極性(Autopolarity)拓撲，使其能在低至30mV的輸入電源下工作，且不受極性限制。

圖2顯示的電路採用兩個小巧的升壓變壓器，提高從輸入電壓源送到LTC3109的電壓，這使得LTC3109能為無線感測以及資料擷取等應用提供完整的電源管理解決方案。它能從極小溫差採集能量，然後產生系統所需的電力，無需使用傳統電池供電。

每個變壓器的次級繞組所產生的交流電壓，會透過外部電荷泵浦電容以及LTC3109內部的整流器進行升壓與整流。這個整流電路會把電流饋送到VAUX針腳，藉以為外部VAU電容以及其他輸出端提供電荷。內部2.2V低壓降穩壓器能支援低功耗處理器或其他低功耗IC。

能源採集技術建構未來智慧建築

全球各地都缺乏類比交換電源設計的專業技術，以致一直很難為綠建築設計有效的能源採集系統。其中一項主要障礙，就是涉及遠端無線感測的電源管理。隨著陸續開發相關產品能從幾乎任何熱源採集到能量，因而讓系統開發業者能利用從能源採集技術獲取的電源。這不僅減少石化燃料的使用，還能協助目前與未來世代建造更環保的建築環境。

(本文作者為ADI業務開發總監)