运用替代能源进行远端感测
远端感测应用常常运用替代能源做为电源，这些应用在监控桥樑震动、森林中树木生长及地震游标（seismic buoys）系统中相当常见。然而能源常受限于电源量，所以系统设计必须相当节能。本文将探讨设计低功耗感测器系统的几种方法，瞭解如何充分运用电源，强化类比效能。
人类文明社会的运作，仰赖庞大且复杂的基础架构持续不断地扩增。但当基础架构逐渐老化，其弱点也随之出现，可能导致严重事故发生，例如桥樑崩塌或大规模停电。工程人员必须设法监控道路及其他重要系统所形成的网络。其中一种方法是透过卫星对空通讯继电遥测（telemetry relay via sattelite uplink）、地面无线射频中继（terrestrial radio relays）或手机系统的主动式感测器，回报网络中主要监控项目的状态来得知系统的情况，提供必要的维护，避免问题发生。
主动式系统需要电源
主动式感测系统比被动式监测具备更高效益。例如，使用rfid及应力量测（strain gauge）的被动式感测器可以加入混凝土，直接倒入结构中，但使用rfid读取器（rfid reader）时，必须近距离接触无线射频区域，才能激发这些标记（tags）并取得资料。这表示人员必须前往远端位置，才能监测结构的状况。主动式系统则仍可装配于老旧的结构，并透过遥控的方式回报震动与应力（stresses）。
主动式系统的缺点在于需要电源才能运作感测器、微控制器及对空通讯（uplink）。虽然可以安装备用电池，不过电量会随着时间耗尽，必须予以更换。针对这一点，可以考虑从环境中获取能源。例如，在交通频繁的桥樑上配置的感测器，可以从车辆通行所造成的震动获取能源。这使监控系统得以在任何气候条件下全天运作，而且监测系统维护（例如电池更换）的时间间隔变长。
设计这些系统时，设计人员必须注意两个要点。首先是电源的重要性。没有电源，系统将无法运作，因此电源转换及储存的效率相当重要。其次是系统运作所需的电量。如果电子装置功耗大于可供应的电源，系统也会失效。所以，收集可用的能源，以最有效的方式转换并充分运用，是必须克服的难题。
降低能源消耗量
目前，运用磁滞转换及休眠模式，能够使电源使用达到极高的效率。这些设计能够在各种负载达到90%至95%的效率，尤其当远端感测器长时间运作时，大多数时间都处于休眠状态。电源需要将电池充电或提供即时时脉（rtc）的待机电源，才能每隔一段时间唤醒系统进行读取。
这种让设备保持运作的方法到现在已经使用数十年。图1显示一般远端感测器电源系统的运作方式。由于接触低空地球轨道的卫星需要数瓦的无线射频功率，因此传输时间必须很短。如果通讯完成前耗尽电源，资讯就可能遗失。以下的运算可降低休眠阶段的耗电量，在最不理想的状况下，至少有足够的电源能够维持运作阶段，否则系统将失效。
图1：电源消耗的pwm週期。
整个计算相当简单。总电量是：
e1
其中pt是总电量，pa是运作阶段电量，ps是休眠阶段电量，dc是系统负载週期（介于0与1之间）。储存阶段所收集的电源必须大于pt与整段期间（秒数）的乘积。虽然处在能源消耗阶段，但是系统仍然能继续撷取能源，除非这个模式在运作期间停用。因此：
e2
其中ec是充电阶段收集的电源（单位为焦耳；joule），e是储存效率（介于0与1之间），pt是总电量（单位为瓦；watt），t是週期长度（单位为秒）。
持续监测的问题
以上图示的基本概念是储存的电源必须超过系统最大消耗电量。在远端感测中，无线射频的功率放大器很可能在对空通讯或连线阶段耗用最多的电源，使系统在每次更新数据的间隔时进入休眠状态，还有一个问题必须解决。
如果系统仅需要每隔15分鐘侦测气温及溼度一次，并回报资料，整个装置可在只有一个即时时脉（rtc）运作的情况下进入休眠状态。rtc使用极低的电源，通常有一个中断接脚能够设定间隔。使系统结束休眠（低功耗模式）进行测量并启动无线射频，然后传输资料后再返回休眠模式。
但如果系统需要持续监测，例如侦测气体或暂态负载情况，甚至累积平均数，这种方法就不适用。系统必须尽可能以最低功耗持续运作。对于大多数微控制器而言，这不构成问题，可是对需要连接感测器的类比前端，就相当不容易。
一般而言，杂讯是必须去除的。大量增益的系统皆需要低杂讯的放大器。但低功耗运算放大器通常都有较高的杂讯，这是因为较低的尾部电流（tail currents）出现在放大器的第一个阶段。耗电量与低杂讯两者之间必须维持均衡，因此选用持续运作的放大器必须格外谨慎。
如果系统包含类比数位转换器（adc），则需依据相关的频率加入滤波器，以避免取样所致的混叠（或讯号镜映）。讯号出现在资料转换器的输入时，如果频率高于一半的取样率，便会造成这种现象。在取样理论中，称为尼奎斯特率（nyquist rate），依据这个理论，若要準确重现类比讯号，必须达到最高频率分量（或系统频宽）的两倍。超过或者无法达到最高的频率分量都将导致讯号处理错误。滤波器也需要电源，若是连续时间滤波器（採用运算放大器），即使在adc取样週期之间也会耗用电源。
另外一项问题是偏移及其他感测器校正需求。微控制器可完成一些校正，但是通常需要偏移来刺激感测器或桥接电路。用来侦测毒素的气体感测器由于侦测的气体类型而特别复杂。感测器製造商会依据使用者的设计需求提供参考电路，视成本、準确度及应用需求而定。
整合及工具
由于这些监控系统的复杂度大多在于类比前端，因此半导体製造商已经开始将大部份的功能整合于单一装置。如此的做法有许多优点，其中一项是控制从侦测器到类比数位转换器的讯号路径。另一项优点是更準确控制对于远端感测应用相当重要的电源。
专为低功耗化学侦测应用所设计的lmp91000 afe potentiostat便是其中一例，此款装置运用有效架构，协助设计人员克服许多上述的问题，包含直接连接2或3个铅电化学电池所需的全部电路，并提供经过校正的输出电压。由于许多感测器都相当复杂，lmp91000获得ti的webench工具「sensor afe designer」充分支援。这套工具让设计人员可选用氨气等终端应用、感测器製造商及类型，然后计算全部所需的外部元件（数量相当少）及所需的程式设定。
结合lmp91000与德州仪器的cc430等含有类比数位转换器，及大多数无线射频电子装置的超低功耗微控制器，即可形成完整的远端气体侦测平台（见图2）。
图2：一般远端气体侦测应用。
本文小结
直接收集系统运作所需电源的远端侦测是相当复杂的设计挑战。电源可能相当短暂且有限，因此电源转换及储存必须具备高效率，而且电路必须达到超低功耗。这方面大部份的问题已经由半导体製造商加以解决，因此设计人员能够加速上市时程，使感测器系统的设计挑战迎刃而解。
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主动式感测系统比被动式监测具备更高效益。例如，使用rfid及应力量测（strain gauge）的被动式感测器可以加入混凝土，直接倒入结构中，但使用rfid读取器（rfid reader）时，必须近距离接触无线射频区域，才能激发这些标记（tags）并取得资料。这表示人员必须前往远端位置，才能监测结构的状况。主动式系统则仍可装配于老旧的结构，并透过遥控的方式回报震动与应力（stresses）。
主动式系统的缺点在于需要电源才能运作感测器、微控制器及对空通讯（uplink）。虽然可以安装备用电池，不过电量会随着时间耗尽，必须予以更换。针对这一点，可以考虑从环境中获取能源。例如，在交通频繁的桥樑上配置的感测器，可以从车辆通行所造成的震动获取能源。这使监控系统得以在任何气候条件下全天运作，而且监测系统维护（例如电池更换）的时间间隔变长。
设计这些系统时，设计人员必须注意两个要点。首先是电源的重要性。没有电源，系统将无法运作，因此电源转换及储存的效率相当重要。其次是系统运作所需的电量。如果电子装置功耗大于可供应的电源，系统也会失效。所以，收集可用的能源，以最有效的方式转换并充分运用，是必须克服的难题。
降低能源消耗量
目前，运用磁滞转换及休眠模式，能够使电源使用达到极高的效率。这些设计能够在各种负载达到90%至95%的效率，尤其当远端感测器长时间运作时，大多数时间都处于休眠状态。电源需要将电池充电或提供即时时脉（rtc）的待机电源，才能每隔一段时间唤醒系统进行读取。
这种让设备保持运作的方法到现在已经使用数十年。图1显示一般远端感测器电源系统的运作方式。由于接触低空地球轨道的卫星需要数瓦的无线射频功率，因此传输时间必须很短。如果通讯完成前耗尽电源，资讯就可能遗失。以下的运算可降低休眠阶段的耗电量，在最不理想的状况下，至少有足够的电源能够维持运作阶段，否则系统将失效。
图1：电源消耗的pwm週期。
整个计算相当简单。总电量是：
e1
其中pt是总电量，pa是运作阶段电量，ps是休眠阶段电量，dc是系统负载週期（介于0与1之间）。储存阶段所收集的电源必须大于pt与整段期间（秒数）的乘积。虽然处在能源消耗阶段，但是系统仍然能继续撷取能源，除非这个模式在运作期间停用。因此：
e2
其中ec是充电阶段收集的电源（单位为焦耳；joule），e是储存效率（介于0与1之间），pt是总电量（单位为瓦；watt），t是週期长度（单位为秒）。
持续监测的问题
以上图示的基本概念是储存的电源必须超过系统最大消耗电量。在远端感测中，无线射频的功率放大器很可能在对空通讯或连线阶段耗用最多的电源，使系统在每次更新数据的间隔时进入休眠状态，还有一个问题必须解决。
如果系统仅需要每隔15分鐘侦测气温及溼度一次，并回报资料，整个装置可在只有一个即时时脉（rtc）运作的情况下进入休眠状态。rtc使用极低的电源，通常有一个中断接脚能够设定间隔。使系统结束休眠（低功耗模式）进行测量并启动无线射频，然后传输资料后再返回休眠模式。
但如果系统需要持续监测，例如侦测气体或暂态负载情况，甚至累积平均数，这种方法就不适用。系统必须尽可能以最低功耗持续运作。对于大多数微控制器而言，这不构成问题，可是对需要连接感测器的类比前端，就相当不容易。
一般而言，杂讯是必须去除的。大量增益的系统皆需要低杂讯的放大器。但低功耗运算放大器通常都有较高的杂讯，这是因为较低的尾部电流（tail currents）出现在放大器的第一个阶段。耗电量与低杂讯两者之间必须维持均衡，因此选用持续运作的放大器必须格外谨慎。
如果系统包含类比数位转换器（adc），则需依据相关的频率加入滤波器，以避免取样所致的混叠（或讯号镜映）。讯号出现在资料转换器的输入时，如果频率高于一半的取样率，便会造成这种现象。在取样理论中，称为尼奎斯特率（nyquist rate），依据这个理论，若要準确重现类比讯号，必须达到最高频率分量（或系统频宽）的两倍。超过或者无法达到最高的频率分量都将导致讯号处理错误。滤波器也需要电源，若是连续时间滤波器（採用运算放大器），即使在adc取样週期之间也会耗用电源。
另外一项问题是偏移及其他感测器校正需求。微控制器可完成一些校正，但是通常需要偏移来刺激感测器或桥接电路。用来侦测毒素的气体感测器由于侦测的气体类型而特别复杂。感测器製造商会依据使用者的设计需求提供参考电路，视成本、準确度及应用需求而定。
整合及工具
由于这些监控系统的复杂度大多在于类比前端，因此半导体製造商已经开始将大部份的功能整合于单一装置。如此的做法有许多优点，其中一项是控制从侦测器到类比数位转换器的讯号路径。另一项优点是更準确控制对于远端感测应用相当重要的电源。
专为低功耗化学侦测应用所设计的lmp91000 afe potentiostat便是其中一例，此款装置运用有效架构，协助设计人员克服许多上述的问题，包含直接连接2或3个铅电化学电池所需的全部电路，并提供经过校正的输出电压。由于许多感测器都相当复杂，lmp91000获得ti的webench工具「sensor afe designer」充分支援。这套工具让设计人员可选用氨气等终端应用、感测器製造商及类型，然后计算全部所需的外部元件（数量相当少）及所需的程式设定。
结合lmp91000与德州仪器的cc430等含有类比数位转换器，及大多数无线射频电子装置的超低功耗微控制器，即可形成完整的远端气体侦测平台（见图2）。
图2：一般远端气体侦测应用。
本文小结
直接收集系统运作所需电源的远端侦测是相当复杂的设计挑战。电源可能相当短暂且有限，因此电源转换及储存必须具备高效率，而且电路必须达到超低功耗。这方面大部份的问题已经由半导体製造商加以解决，因此设计人员能够加速上市时程，使感测器系统的设计挑战迎刃而解。
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