隨著無線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程設(shè)備的使用日漸普及，無需連線的電能供給成為一種新的需求。 在傳統(tǒng)的使用硬接線連接設(shè)備的時(shí)代，為各獨(dú)立設(shè)備供電并不是什么大問題，它既能通過主電源經(jīng)轉(zhuǎn)送器實(shí)現(xiàn)，又可以在現(xiàn)場總線連接中提供足夠的電流。唯一會(huì)擔(dān)心遠(yuǎn)程設(shè)備電能供應(yīng)問題的僅僅是那些類似油井的分散設(shè)備。只要有人定期看護(hù)，這種機(jī)械式的供電方式就能滿足大部分設(shè)備的需要。 　　 但現(xiàn)在，這種情況正在被改變。一些工廠放滿了“遠(yuǎn)程”設(shè)備，形成一些設(shè)備密集度極高的區(qū)域。這些遠(yuǎn)程無線設(shè)備使用數(shù)量的增加大大提升了不依靠總電源、現(xiàn)場總線或不間斷電源的獨(dú)立供電的必要性。由于無線設(shè)備的一個(gè)突出賣點(diǎn)就是排除了電線費(fèi)用的支出，因此供需雙方都在尋找與過去不同的供電方式。 　　 在許多方面，無線技術(shù)和獨(dú)立電源的發(fā)展取得了同步的進(jìn)展。無線設(shè)備廠商意識(shí)到某些類型的設(shè)備比其他設(shè)備更易實(shí)現(xiàn)這一改變。正因?yàn)槿绱耍?dòng)力儀器設(shè)備，如溫度傳感器在早期是配合無線發(fā)射機(jī)同時(shí)使用的。如果每個(gè)利用了無線通訊技術(shù)的設(shè)備都要連接一根電源線，那所謂的無線的優(yōu)勢(shì)就被大大降低了。但即使這樣，在很多工廠里，比起給遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)提供信號(hào)電纜，提供交流120V的電源線只是一件小事。這種想法就是由現(xiàn)場的有源路由器構(gòu)成無線網(wǎng)格狀網(wǎng)絡(luò)的由來。 [align=center] 當(dāng)鐵路周圍的布線不方便時(shí)，就要依靠太陽能設(shè)備。鐵路的傳感器和信號(hào) 設(shè)備由一個(gè)1.4kwKyocera 的太陽能模塊供電，這要比其他所有的方法都便宜。[/align] 儀器設(shè)備的變革 　　 供電的方式發(fā)生改變的同時(shí)，儀器設(shè)備和無線發(fā)送設(shè)備的發(fā)展正在發(fā)生更基礎(chǔ)層面的變化。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)者們，進(jìn)行了一番重新思考后，找到了能更有效利用電能的方法。 　　 在使用主電源供電的硬接線系統(tǒng)中，通過直接連接的I/O電纜或現(xiàn)場總線，儀器設(shè)備間可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)通訊。無論是流量、壓力或者其他變量，數(shù)據(jù)的給出和傳輸從不中斷。但是如果采用電池供電，標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA信號(hào)會(huì)消耗電量相當(dāng)驚人，一個(gè)不間斷的20mA的信號(hào)會(huì)在數(shù)天內(nèi)用光大量的電池。但是，如果允許對(duì)某個(gè)信號(hào)進(jìn)行間斷性采集，該儀器就會(huì)間歇性地工作，從而節(jié)約了電能。這種間歇性通信方式已經(jīng)成為了正迅速崛起的實(shí)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵原則之一。 　　 一些比較重要的過程變量必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且這些變量應(yīng)該使用硬接線方式。而其他的信號(hào)往往只需要每過一段時(shí)間檢測(cè)一次，這個(gè)時(shí)間可以是幾秒、一分鐘、一小時(shí)或者更長。如果一臺(tái)儀器設(shè)備可以自動(dòng)激活、讀取數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)、回到休眠狀態(tài)直到它下一小時(shí)重復(fù)這一流程，那么比起連續(xù)操作，這樣可以節(jié)省99%的電能消耗。這樣的一臺(tái)儀器，只要使用目前的設(shè)計(jì)并配備合適的電池，可以持續(xù)工作20年而無需維護(hù)。 　　 “無線通信儀器設(shè)備的供電已經(jīng)成為一個(gè)重要的議題，”Dust Networks的市場副總監(jiān)Rob Conant說，“它為傳感器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全新的思路?！盌ust Networks在工業(yè)測(cè)量儀表儀器方面上取得了重大的突破，發(fā)明了一種非常高效的通信技術(shù)。它內(nèi)含的無線通信器可以在10毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)激活、上載變量、傳送變量、關(guān)閉這一完整的工作流程。而其相應(yīng)的接收器會(huì)自動(dòng)地同步激活，并接收信號(hào)。在正常的工作循環(huán)中，該設(shè)備每10秒更新一次數(shù)據(jù)，而其余的99.9%的時(shí)間處于休眠狀態(tài)。這種高效地使用電能的工作方式使獨(dú)立供電成為了現(xiàn)實(shí)。 外部電源 　　 另一種可選的供電方式也同樣符合無需維護(hù)的要求。如果要每個(gè)月或每年更新一次電池，那么在通常情況下，這種儀器是不被考慮的。因?yàn)楣S的操作員們不愿意時(shí)刻關(guān)注著這些儀器設(shè)備，所以，相應(yīng)的電池壽命至少應(yīng)該可以以年計(jì)。當(dāng)可充電電池在便攜式電腦和混和式汽車上的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注的同時(shí)，一次性電池的技術(shù)發(fā)展也取得了相應(yīng)的改進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)的堿性電池（堿性二氧化錳類）能滿足大多數(shù)手電和移動(dòng)電子產(chǎn)品的消費(fèi)者的需求，但是還遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)儀器設(shè)備的要求。 　　 電池失效是由于以下兩方面的原因：一、它們始終處于放電的狀態(tài)，這意味著即使不使用，它們也會(huì)逐漸地失效。廠商設(shè)計(jì)時(shí)知道它們的使用時(shí)限，因此在絕大部分電池包裝上會(huì)有“在……之前使用”的日期說明。不同類型電池的可使用時(shí)間是千差萬別的，通常電池內(nèi)部的化學(xué)組成越復(fù)雜，可使用的時(shí)間就越長。二、當(dāng)它們的電量被用光時(shí)，電池就失效了。一些廉價(jià)的電池會(huì)隨著電量的消耗逐步降低輸出電壓，而質(zhì)量較好的電池則能在它們電量耗盡之前維持不變的輸出電壓，隨后快速下降為零。 　　 由于其高儲(chǔ)電容量和長壽命周期，鋰電池被大量應(yīng)用在工業(yè)儀器儀表領(lǐng)域。它種類眾多，適用廣泛。在便利店隨處可見的鋰-二氧化錳電池在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于它們的競爭對(duì)手堿性電池，但是它也只是初級(jí)的鋰電池產(chǎn)品。鋰亞硫酰氯電池（Li/SOCl12）是一種已被廣泛應(yīng)用于無線設(shè)備上的電池。它的名稱僅僅描述了其基本的化學(xué)組成,而根據(jù)不同的配置方法改變其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)，會(huì)生產(chǎn)出各具特色的產(chǎn)品。其中最常見的方式是線軸式，可實(shí)現(xiàn)交替反應(yīng)的發(fā)電組合。 　　 鋰亞硫酰氯電池的功能十分強(qiáng)大。相對(duì)于堿性電池能提供的最大輸出電壓1.5V，鋰電池能提供3.6V的輸出電壓，并能維持電壓不變直到電量耗盡臨界點(diǎn)；它能在-55到150℃ （-67到302°F）溫度下工作；并且每年其自身放電損耗率低于1%，理論使用壽命可達(dá)20年以上。 　　 一款電池真的能工作20年？Tadiran Batteries的副總裁兼總經(jīng)理Sol Jacobs的答案是：“是的！據(jù)我們所知，有些水位測(cè)量設(shè)備使用這種類型的電池已經(jīng)23年了，而且可以肯定的是，我們20年前制造的電池的性能遠(yuǎn)不如我們今天的產(chǎn)品?！? 當(dāng)然，任何的電池都是極限的，因此重要的是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇相匹配的電池。由于電池的輸出功率與它的壽命具有一定的線性關(guān)系，根據(jù)它的負(fù)載就可以預(yù)知它的大致壽命，由此可以精確地選擇能達(dá)到所期望使用期限的電池。當(dāng)然，如果應(yīng)用情況發(fā)生了改變，這樣簡單的計(jì)算數(shù)據(jù)就不能完全反映問題了。例如，將設(shè)計(jì)為每小時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)一次的無線溫度傳感器的實(shí)際使用設(shè)定改為每分鐘發(fā)送兩次數(shù)據(jù)時(shí)，電池的壽命就會(huì)按比例相應(yīng)減少。 儀器設(shè)備間歇性地工作，只在需要時(shí)才處于啟動(dòng)，這樣可以最大限度地減少電能的消耗，Dust Networks在發(fā)送器和接收器上都采用這種工作方式，以便于兩個(gè)設(shè)備可以同步工作，同步休眠。這個(gè)圖解闡明了傳感器做為節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)關(guān)信號(hào)之間的交叉作用，這個(gè)中間節(jié)點(diǎn)將消耗更多的能量，因?yàn)樗瑫r(shí)完成接收和發(fā)送的任務(wù)，但這也減少了花費(fèi)在傳輸中的時(shí)間。 太陽能收集器 　　 光電轉(zhuǎn)換面板已經(jīng)問世十幾年了，并已經(jīng)成為大多數(shù)地理位置適宜的野外設(shè)備的首選電源。它的表現(xiàn)取決于太陽光的強(qiáng)弱，因此在某些特定地區(qū)使用效果會(huì)好于其他地區(qū)。面板廠商通過對(duì)各地區(qū)典型氣候和日照的研究，用代表當(dāng)?shù)刈钊跞照粘潭鹊亩旧巾斎照招r(shí)為單位，對(duì)各個(gè)地區(qū)進(jìn)行了標(biāo)記。 　　 光電轉(zhuǎn)換面板有著各種各樣的形狀和尺寸，有多樣化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，也有眾多廠商提供的不同品牌。光電轉(zhuǎn)換效率在4-24%之間，相應(yīng)地，其價(jià)格也隨著效率變化。大多數(shù)價(jià)格較具競爭力的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)所能達(dá)到的效率在15%左右。面板可以連接起來以達(dá)到所需的各種電壓和電流。在陽光照射充足的條件下，光電轉(zhuǎn)換面板可以提供每平方英尺12W的功率，但由于實(shí)際輸出是由陽光的照射情況決定的，在實(shí)際應(yīng)用中想單憑經(jīng)驗(yàn)來決定所需裝置的尺寸是很困難的。 　　 對(duì)于遠(yuǎn)程儀器設(shè)備，電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置是光電轉(zhuǎn)換面板，附帶能夠調(diào)節(jié)電池組貯能量的控制器。設(shè)備和信號(hào)發(fā)射器的電源是由電池組而不是原電池直接提供。面板和電池組的尺寸和輸出應(yīng)該能夠提供持續(xù)恒定的功率輸出，即使在外部天氣惡劣或者雪天的情況下也不間斷，因此配置要求相同的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在菲尼克斯可以比在西雅圖的采用更小的面板和更少的電池。 [align=center] Solar locating guides 可以幫助我們根據(jù)平均“日照時(shí)間”或者在那些 每平方米面板至少能轉(zhuǎn)化1 千瓦的情況下的每天日照小時(shí)數(shù)計(jì)算出所 能獲得的能量。上圖顯示了歷史上夏季月份的氣候數(shù)據(jù)。[/align] “我們是按照最差月份的最差天氣情況設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，因此其他的任何天氣情況都是沒問題的。”Kyocera Solar的工業(yè)產(chǎn)品銷售經(jīng)理Rich Griswold說“如果電池電量被充滿，調(diào)節(jié)器會(huì)將多余的能量返還到面板上，通過熱能的形式散發(fā)掉?！痹O(shè)備廠商提供預(yù)裝的系統(tǒng)以適應(yīng)特定的地點(diǎn)和應(yīng)用情況，以避免不必要的變動(dòng)。 　　 光電轉(zhuǎn)換技術(shù)尤其適用于那些可共用電源且消耗量較大的儀器設(shè)備組。光電池的容量大，雖然價(jià)格略高，需要偶爾的低水平維護(hù)和妥善的保護(hù)，但是通常可持續(xù)使用數(shù)十年，如果使用在合適的場所，可以很容易地收回成本。 電能提取 　　 關(guān)于從周遭環(huán)境中提取能量的研究，比如將振動(dòng)和熱量轉(zhuǎn)化為電能，已經(jīng)持續(xù)進(jìn)行了一段時(shí)間，其實(shí)踐性也日益加強(qiáng)。例如,一個(gè)靠近壓縮機(jī)的儀器，能夠通過一臺(tái)微型發(fā)電機(jī)把壓縮機(jī)的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能來給自己足夠提供的工作電源。 　　 Perpetuum Ltd是一家正大力發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)并開始實(shí)際生產(chǎn)這類產(chǎn)品的公司，它的PMG7振動(dòng)微型發(fā)電機(jī)已經(jīng)上市，其后續(xù)產(chǎn)品也已準(zhǔn)備推出。這種發(fā)電機(jī)發(fā)電量并不大，其輸出電壓與前文所提到的鋰電池比較接近，為3.4V左右，因此，它們的適用領(lǐng)域也比較類似。其電流輸出可以達(dá)到1.2mA, 正好可以給電容器充電，以滿足儀器啟動(dòng)所需的更大的電流要求。 　　 微型發(fā)電機(jī)能在特定的頻率下獲得最佳的工作效果，因此電機(jī)通常被調(diào)整為只對(duì)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的60HZ同步感應(yīng)電機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)有感應(yīng)的模式。當(dāng)安裝調(diào)試時(shí)，它能被調(diào)整到在當(dāng)前環(huán)境下所能達(dá)到的最大輸出。此類設(shè)備體積很?。ù笾律现挥蠧型電池的一半大?。?可以安裝在任何位置，且無需維護(hù)。但是它們的動(dòng)力來源于源設(shè)備的運(yùn)行，因此如果主壓縮機(jī)或者其他主設(shè)備停止運(yùn)行，它們的電能隨之消失。 　　 這種技術(shù)的成功與否取決于其可靠性和性價(jià)比。運(yùn)用現(xiàn)在的技術(shù)，微型發(fā)電機(jī)可以通過一顆D型鋰亞硫酰氯電池使輸出的電量加倍。若加上0.5mA的連續(xù)負(fù)載，相同的適宜條件下，電池能夠持續(xù)工作達(dá)30,000小時(shí)，電力采集機(jī)將面臨這項(xiàng)技術(shù)的挑戰(zhàn)。 　　 盡管無線電能傳輸技術(shù)正處于實(shí)驗(yàn)室研究階段, 但它可能是自給自足型無線儀表儀器新的發(fā)展趨勢(shì)，而這必然會(huì)促使設(shè)計(jì)者們提高效率，創(chuàng)造新的方法使數(shù)據(jù)的采集和通信消耗更少的電能。研究還剛剛開始，敬請(qǐng)期待更多的新技術(shù)新產(chǎn)品吧！