現(xiàn)今無線傳感器節(jié)點(diǎn)大多使用電池供電，因此建置完成后仍須耗費(fèi)龐大的人力和物力成本進(jìn)行維護(hù)；而具備低功率能量采集技術(shù)的傳感器，則可實(shí)現(xiàn)幾乎無止境的運(yùn)作，能顯著節(jié)省維護(hù)成本，特別是當(dāng)此一傳感器是被裝置在人煙罕至的地區(qū)時。

　　智能環(huán)境意味著未來家庭與建筑物的自動化。這些自動化須仰賴各種不同的傳感器、控制器及致動器，這些元件扮演多元角色，并分布在整個環(huán)境中，而這樣的分布形成了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。舉例來說，每一個傳感器都需要有自己的電源，監(jiān)控低電池狀況也是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序；然而，更換電池需要人力協(xié)助。本文旨在提出一種采用能量采集（Energy Harvesting）型、低功率傳感器的解決方案；當(dāng)傳感器須傳送相當(dāng)數(shù)量的資料，或是執(zhí)行定期測量時，這種由能量采集所驅(qū)動的無線傳感器，就顯得再合適不過了。能量采集技術(shù)的使用可讓這些傳感器在數(shù)年期間內(nèi)完全免維護(hù)，而使用電池的傳感器則可能在幾個月內(nèi)就耗盡能量。

　　現(xiàn)今已有各種無線傳感器的實(shí)施方式可供選擇，但是系統(tǒng)整體成本并不僅僅取決于硬件而已，根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所實(shí)施的成本，也會導(dǎo)致整體成本的增加。其中所包括的不僅是額外的硬件與軟件需求，同時也包括了一些較不明顯的項(xiàng)目，像是ZigBee及藍(lán)牙（Bluetooth）4.0等通訊技術(shù)（圖1）認(rèn)證的費(fèi)用，甚至可能會有權(quán)利金的支出。

　　圖1　有線與無線連接環(huán)境示意圖

　　本文提供一些簡單的低功率、能量采集方案，可被用來實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的無線傳感器。此外，還會說明如何在提供穩(wěn)定的效能之際，還能壓低整體成本，特別是針對那些具成本效益的無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

　　導(dǎo)入能量采集技術(shù)　無線傳感器可靠度增加

　　能量采集系統(tǒng)基本上可儲存能量（無論是使用NiMH這類的可充電式電池或使用超級電容），以供稍后有需要時使用。能量采集型無線傳感器與電池驅(qū)動型傳感器主要的差異在于電池驅(qū)動型無線傳感器是被設(shè)計成在特定的一段時間內(nèi)，以電池來進(jìn)行運(yùn)作，除此之外，這兩者基本上是相同的。能量采集型傳感器節(jié)點(diǎn)所具備的優(yōu)勢在于它可無限期地采集能量，以供日后所需。通常，它可以采集到的數(shù)量或能量是很有限的（受限于價格或?qū)嶋H尺寸），所以，無線發(fā)射器及傳感器本身所使用的能量必須有所平衡，如此才不會過量消耗采集技術(shù)所提供的能量。

　　目前市場上有著各種能量采集元件可供選擇。最常見的使用元件是太陽能板。它們有著不同的大小，包括串聯(lián)或并聯(lián)多個太陽能電池組成的大型太陽能板，以及使用于手持式計算機(jī)或玩具上非常小型的太陽能電池等。

　　另一種型態(tài)就是射頻（RF）采集元件。這種元件使用天線來接收無線電波，并且將它們轉(zhuǎn)化成電能。這是一種型態(tài)較為不同的能量采集元件，它需要高單位的射頻能量。電機(jī)（Electro-mechanical）采集元件通常使用在電感線圈附近使用動態(tài)的磁性元件。熱電（Thermo-electrical）能量采集元件可自溫差產(chǎn)生小量的電能，這些熱電元件是根據(jù)塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）原理運(yùn)作。

　　當(dāng)傳感器或控制器加入無線能力時，一些經(jīng)驗(yàn)不足的使用者多僅會考慮采用ZigBee或藍(lán)牙這類的射頻產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求的不同，特定標(biāo)準(zhǔn)可能無法滿足現(xiàn)實(shí)的真正需求。一般情況下，通常是當(dāng)最終產(chǎn)品必須與目前存在于市面上的產(chǎn)品相容時，才有必要采用特定標(biāo)準(zhǔn)。制造一款與其他產(chǎn)品相容的產(chǎn)品，確實(shí)是一個較復(fù)雜的商業(yè)決策，在考慮是否要提供相容性時，須謹(jǐn)慎考量其中的利弊。在有些情況下，相容性可能是必要的（如用于行動電話的耳機(jī)麥克風(fēng)），但在其他一些情況下，增加相容性則是不可能做到的，或是成本會變得太過昂貴（如簡單的紅外線遙控器）。

　　通訊技術(shù)認(rèn)證成本高　射頻發(fā)射器設(shè)計考量多

　　許多時候，當(dāng)設(shè)計人員計畫要實(shí)施一項(xiàng)特定的射頻標(biāo)準(zhǔn)時，僅注意到整體的硬件成本，反而忽略實(shí)施某項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的成本。任何射頻發(fā)射器都須要經(jīng)過認(rèn)證，且非射頻發(fā)射器仍然須經(jīng)過FCC或CE的認(rèn)證。然而，它們的運(yùn)作較為簡單及便宜。對于任何無線傳感器而言，F(xiàn)CC認(rèn)證是無可避免的，所以當(dāng)設(shè)計人員在比較不同解決方案時，這項(xiàng)成本因素是可以擱在一旁的。

　　使用標(biāo)準(zhǔn)的整體成本將視所實(shí)施的無線標(biāo)準(zhǔn)為何而定，可能會比原先所預(yù)期的高出很多。如果是使用特別標(biāo)準(zhǔn)的成本，將遠(yuǎn)比僅是硬件與軟件的成本高出甚多。這些成本通常來自于組織會員資格、標(biāo)準(zhǔn)符合性測試、特定的特性測試、特定的硬件Sniffer工具等。ZigBee的認(rèn)證成本大約在3，000美元，這僅只是認(rèn)證本身的費(fèi)用而已。但實(shí)際上，在申請任何認(rèn)證之前，我們須進(jìn)行一些特定的預(yù)先測試，以及估計這個元件是否可以通過此項(xiàng)認(rèn)證。專業(yè)的測試設(shè)備能以每月 750美元的費(fèi)用租用。

　　乍看之下，這些額外成本似乎不是非常高，然而，許多時候采用特定標(biāo)準(zhǔn)也讓用戶必須付出會員資格的成本，也可能是必須給付的權(quán)利金。射頻標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證成本總是轉(zhuǎn)化成額外的成本以及額外的延誤，一直到產(chǎn)品上市為止。

　　硬件本身的單位成本通常是每一萬個單位時，會落在1-1.5美元這個范圍內(nèi)。當(dāng)僅生產(chǎn)低數(shù)量的產(chǎn)品時，所有的上述成本將會對每單位的整體成本造成影響。假如我們僅將FCC納入考量，認(rèn)證的成本大約是10，000美元，而這樣的情況將導(dǎo)致單位價格倍增。射頻標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證（認(rèn)證本身的成本、預(yù)先測試以及射頻測試設(shè)備）將很輕易地就超過10，000美元，造成不小的成本壓力。