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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(chǔ)設(shè)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(jīng)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(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再次發(fā)生此類災(zāi)難的同時延長這些設(shè)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(jīng)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(gòu)振動，然后將監(jiān)測結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)有可能將遠程架構(gòu)與安全監(jiān)控變得既簡單、又經(jīng)濟。AdaptivEnergy 的 Joule-Thief 技術(shù)并不依賴電池運行，它能夠收集并儲存振動產(chǎn)生的能量，然后利用儲存的電量驅(qū)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(shù)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(jīng)過大橋時產(chǎn)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(jié)構(gòu)牢固性。Joule-Thief 驅(qū)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(shè)備中的生命并節(jié)約其成本。
實現(xiàn)環(huán)境智能
Joule-Thief 技術(shù)屬于一種可利用振動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，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)動輪子，不過目前最著名的形式是利用太陽能電池板、風(fēng)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(yīng)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(yīng)。
此外，Joule-Thief 技術(shù)還可收集機械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它架構(gòu)產(chǎn)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(shù)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(yīng)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(chǎn)品的有效方法。
在 AdaptivEnergy 準備設(shè)計其 Joule-Thief 技術(shù)時，其工程師在即將開始開發(fā)時遇到了對最終結(jié)果產(chǎn)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(shè)計目標。其中一個原因是，在振動水平較低時，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(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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(guān)鍵是通過收集的能量驅(qū)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(qū)動。
構(gòu)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(zāi)難。在工廠的馬達與其它機械設(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的其它問題，預(yù)測故障，幫助避免高成本的故障，從而延長設(shè)備使用壽命。
而潛在的回報非常豐厚：設(shè)備行業(yè)信息來源估計基于資產(chǎn)監(jiān)控的預(yù)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(shè)備更換頻次的降低以及設(shè)備停機時工廠停產(chǎn)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(xué)、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(shù)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(yīng)用尤其是對減輕戰(zhàn)場上士兵的負擔(dān)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(gòu)的使命提供支持的創(chuàng)新技術(shù)、以便開發(fā)情報收集應(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)，可對運動做出響應(yīng)，然后將振動轉(zhuǎn)化成能量，以便儲存供隨后使用。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，以達到超過非應(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)在一起的高級聚酰亞胺工藝允許對陶瓷施加高 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(nèi)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(yīng)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(shù)高得多的電子設(shè)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(chǎn)生能量的收集。此外，如果相關(guān)應(yīng)用需要更高能量儲存，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)字無線應(yīng)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(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，同時還可實現(xiàn)適合各種環(huán)境智能應(yīng)用的免維護無線傳感器。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 與脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出簡化了 AdaptivEnergy 將傳感器系統(tǒng)連接到外部電路的設(shè)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(shù)新領(lǐng)域，該技術(shù)可利用建筑構(gòu)架、車輛以及機械內(nèi)在的振動產(chǎn)生電能，無需布線與電池，即可驅(qū)動傳感器，從而不但可滿足風(fēng)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(yīng)用領(lǐng)域的重量、空間以及安裝與維護成本。
外觀檢查顯然已不能滿足檢驗需求：I-35W 大橋已經(jīng)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(gòu)振動，然后將監(jiān)測結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)有可能將遠程架構(gòu)與安全監(jiān)控變得既簡單、又經(jīng)濟。AdaptivEnergy 的 Joule-Thief 技術(shù)并不依賴電池運行，它能夠收集并儲存振動產(chǎn)生的能量，然后利用儲存的電量驅(qū)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(shù)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(jīng)過大橋時產(chǎn)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(jié)構(gòu)牢固性。Joule-Thief 驅(qū)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(shè)備中的生命并節(jié)約其成本。
實現(xiàn)環(huán)境智能
Joule-Thief 技術(shù)屬于一種可利用振動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，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)動輪子，不過目前最著名的形式是利用太陽能電池板、風(fēng)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(yīng)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(yīng)。
此外，Joule-Thief 技術(shù)還可收集機械、車輛、樓宇以及如橋梁等其它架構(gòu)產(chǎn)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(shù)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(yīng)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(chǎn)品的有效方法。
在 AdaptivEnergy 準備設(shè)計其 Joule-Thief 技術(shù)時，其工程師在即將開始開發(fā)時遇到了對最終結(jié)果產(chǎn)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(shè)計目標。其中一個原因是，在振動水平較低時，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(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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(guān)鍵是通過收集的能量驅(qū)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(qū)動。
構(gòu)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(zāi)難。在工廠的馬達與其它機械設(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的其它問題，預(yù)測故障，幫助避免高成本的故障，從而延長設(shè)備使用壽命。
而潛在的回報非常豐厚：設(shè)備行業(yè)信息來源估計基于資產(chǎn)監(jiān)控的預(yù)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(shè)備更換頻次的降低以及設(shè)備停機時工廠停產(chǎn)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(xué)、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(shù)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(yīng)用尤其是對減輕戰(zhàn)場上士兵的負擔(dān)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(gòu)的使命提供支持的創(chuàng)新技術(shù)、以便開發(fā)情報收集應(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)，可對運動做出響應(yīng)，然后將振動轉(zhuǎn)化成能量，以便儲存供隨后使用。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，以達到超過非應(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)在一起的高級聚酰亞胺工藝允許對陶瓷施加高 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(nèi)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(yīng)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(shù)高得多的電子設(shè)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(chǎn)生能量的收集。此外，如果相關(guān)應(yīng)用需要更高能量儲存，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)字無線應(yīng)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(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，同時還可實現(xiàn)適合各種環(huán)境智能應(yīng)用的免維護無線傳感器。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 與脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出簡化了 AdaptivEnergy 將傳感器系統(tǒng)連接到外部電路的設(shè)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(shù)新領(lǐng)域，該技術(shù)可利用建筑構(gòu)架、車輛以及機械內(nèi)在的振動產(chǎn)生電能，無需布線與電池，即可驅(qū)動傳感器，從而不但可滿足風(fēng)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(yīng)用領(lǐng)域的重量、空間以及安裝與維護成本。
工商網(wǎng)監(jiān)
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