低耗能射頻(RF)與類比技術日益精進，讓無線感測網路擁有前所未見的功能與潛在應用方式。無線感測網路由眾多感測節點組成，可監督各項環境資料，例如溫度、濕度、氣體、光線及使用情形等，再以無線方式將資料傳輸至中央閘道。
使用無線感測網路時，這些先進互動與控制功能的應用不僅限於智慧家庭，亦可延伸至工業、健康與健身及能源探勘等領域。此外，由於無線感測網路能夠自行組織與修復，故可開創更多新式應用，例如監測橋梁與建築物結構、購物商場鄰近行銷、機器預防維護及遠距醫療等。
據估計，至2020年全球將增加上億個感測節點，但若要實現這項理想，供電將成一大難題。傳統感測節點由電池供電，使用壽命有限，且須要耗費維護及物流成本；此外，感測節點也可能放置於難以觸及之處，產生更多維護挑戰。
有些研究指出，無線感測網路電池更換成本可能超過10億美元，故必須探究能源採集等替代方案，以節省經常開銷，並發揮無線感測網路的優點。能源採集還可幫助企業、建築物業主與無線感測網路終端用戶省下更換及維護所有電池所需的時間及成本。
無論是空調出風口、樓板、窗戶的振動，或是空調、鍋爐及熱水管線等設備的溫差，甚至是室內外光源都能提供能源，但要供應充足與穩定的能源卻是一大挑戰。若要蒐集振動能量，傳感器的設計必須能與振動來源完全相符；蒐集光源的障礙在於光源不夠穩定；而熱電發電器的難處在於傳感器成本及溫差限制，由此可知能源採集並無一體適用的模式。因此能源採集系統在設計時，必須仔細考量應用方式、限制及設計成本。
精算電源需求 BLE節點確保穩定運作
 |
| 圖1 藍牙低功耗封包傳輸能量量測設置 |
在建築自動化領域內，基於消費者智慧型手機的鄰近行銷是相對新穎的應用。固定式藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)Beacons可判斷特定位置的距離，甚至協助室內導航。
由於該應用多出現在室內場所，如商業辦公空間及購物商場，皆具備室內光源可供採集，如辦公大樓一般照明多為500勒克斯(Lux)以上，足以供應低功耗射頻的無線感測節點所需。
不過若要利用室內光源設計穩定且自動的無線感測網路，必須先了解及克服多項系統設計障礙。
確切能源需求
以藍牙低功耗Beacons應用為例，可以假設：
在LED閃燈耗能方面，必須先確定LED正向壓降，以及串聯的限流電阻數值。例如若LED正向壓降為2.1伏特(V)，限流電阻數值為2.2千歐姆(kΩ)，則LED啟動時所需電流如公式1：
~1伏特/2,200歐姆=454微安培(μA)
......................................................公式1
 |
| 圖2 傳輸Beacons時使用的電源 |
為計算藍牙低功耗封包傳輸所需能量，我們在圖1的設置中，使用10歐姆電阻與輸入電源串聯，用以確保能計算藍牙低功耗封包傳輸時的動態電源用量；另外再加上電壓探針，示波器即可偵測電壓與時間波形，並利用10歐姆串聯電阻換算成電流與時間。
圖2顯示藍牙低功耗無線裝置在傳輸Beacons時所須使用的電流，而這項應用的總能源預算如表1所示。
電源預算之計算
 |
| 圖3 測量設置 |
從表1可見，藍牙低功耗裝置若須每秒傳輸Beacons一次，並且每2秒閃滅LED約100毫秒，將需要179微瓦(μW)/秒(s)。為確定太陽能電池是否能支援所需電源，以及確認供電所需的最低流明數，故使用如圖3的設置，此系統設置在一般實驗室環境裡，現場光線約450勒克斯左右，類似於常見的零售環境照明，同時串聯至萬用電表，測量進入電源管理裝置的電流。萬用電表在太陽能電池與輸入電源連接器之間串聯後，測得的電流為350微安培。
在光源為450勒克斯的環境下，輸入電壓介於1,095∼1,383伏特以85%的電源管理裝置效能計算，來自太陽能電池的電源為325∼411微瓦，故在450勒克斯的條件下，太陽能電池提供的能源足以為超級電容充電至VBAT_OV，如圖4所示。
超級電容為能源儲存裝置，在此類應用中，比電池更適合儲存電荷，為計算此種應用所需的最低能源，可使用較低的室內光源(250勒克斯)蒐集資料。
 |
| 表1 藍牙低功耗Beacons電源預算 |
在250勒克斯的條件下，萬用電表在太陽能電池與輸入電源連接器Pin2之間串聯後，所測得的電流為195微安培；輸入電壓相對穩定，測得1.035伏特。
 |
| 圖4 藍牙低功耗Beacons傳輸期間測得的負載供電軌 |
在光源為250勒克斯的環境下，以85%的電源管理裝置效能計算，來自太陽能電池的電源為170微瓦。由於應用電源需求最低為179微瓦/秒，若要穩定運作，室內光源必須大於250勒克斯。
可靠的負載連接/中斷
能源採集電源管理須在電源管理元件顯示供電狀況良好時連接負載，並在輸入電源低於特定門檻時中斷，確保應用可自動運作，不須介入。
 |
| 圖5 負載連接 |
另一項關鍵在於負載最初連接時機，因為藍牙低功耗裝置啟動時需要大量能源，對電源產生不少壓力，也導致輸入電壓下滑，故須採用具備遲滯階段的電源管理元件，以解決這項問題。換言之，電源管理元件必須提供可編程的負載連接與負載中斷功能，確保負載連接電壓能夠大於負載中斷電壓及壓降之和(圖5及圖6)。
|
| 圖5 負載連接 |
超級電容充電
為確保應用能有效的與特定能量採集來源共同運作，電源管理元件即使在低輸入電壓環境下，也必須能夠持續採集能源。為滿足藍牙低功耗裝置傳輸Beacons時的電源需求，系統設計必須包括可供應瞬間能源的能源儲存空間，而在藍牙低功耗裝置休眠時，亦可利用能源採集技術，持續為能源儲存空間充電。
 |
| 圖6 負載中斷 |
由電源管理元件充電的超級電容即可做為瞬間能源儲存空間。當超級電容初次連接至電源時，必須先充電才可使用，即使在低輸入電壓環境下，電源管理元件仍應繼續為超級電容充電。如圖7所示，在1.8伏特之前，電源管理裝置以冷啟動模式運作，並需約20分鐘讓超級電容從無電源充至1.8伏特。
|
| 圖7 超級電容充電 |
跨越1.8伏特門檻後，電源管理元件進入正常升壓充電運作，需要2.7分鐘達到2.9伏特的V_BAT_OK_HYST程度(V_BAT_OK_HYST為負載連接所需的電壓等級)，之後藍牙低功耗Beacons應用就會啟動。如圖7所示，在450勒克斯的室內光源條件下，太陽能電池的能源足以讓超級電容達到約3.2伏特的VBAT_OV值。
無線感測網路改變人類互動及監控週遭環境的方式，室內光源能源採集參考設計，提供所有系統設計知識，以及穩定採集室內光源並克服建立藍牙低功耗Beacons相關難題的方式，故能永遠免除替換電池的需求。
(本文作者Ajinder Singh為德州儀器系統架構師，Adam Yager為工業系統行銷工程師)