讓綠色創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)

摘要：節(jié)能浪潮正在席卷世界各地，大眾越來越關(guān)心電子產(chǎn)品的節(jié)能問題。本文介紹了部分企業(yè)和設(shè)計(jì)者的新產(chǎn)品或創(chuàng)意。
關(guān)鍵詞：可再生能源；風(fēng)能；太陽能；污染；監(jiān)控

太陽能、風(fēng)能成為半導(dǎo)體廠商關(guān)心的熱點(diǎn)

　　電源鏈包括三方面：發(fā)電、傳輸和消費(fèi)（如圖1）。在發(fā)電環(huán)節(jié)，風(fēng)能和太陽能成為半導(dǎo)體廠商關(guān)心的熱點(diǎn)。例如，英飛凌公司針對(duì)可再生能源使用方面主要方案是風(fēng)能和太陽能，像EmCon二極管，TrenchStop IGBT和高功率BIP等。“由于封裝是實(shí)現(xiàn)大電流技術(shù)的關(guān)鍵之一，英飛凌的EconoPACK、IHM模塊、BIP模塊和堆棧等先進(jìn)封裝技術(shù)成為上述產(chǎn)品高效運(yùn)作的有利保障。” 英飛凌科技香港公司家電及工業(yè)功率器件市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理馬國(guó)偉博士指出。

圖1 整個(gè)電源鏈（注：此圖由英飛凌公司提供）

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）CEO（首席執(zhí)行官）Brian Halla在2009新年致辭中特別提到了對(duì)新能源的重視，他表示除了推出各種高能效的模擬技術(shù)，NS還在為太陽能推出高性能的模擬技術(shù)。以太陽能發(fā)電系統(tǒng)為例，NS的SolarMagic技術(shù)可以將由問題或被陰影遮蔽的電池板隔離，而無需取出串聯(lián)著的同組電池板。這樣一來，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)余下的電池板，繼續(xù)進(jìn)行高性能發(fā)電。

NS公司Brian Halla：SolarMagic技術(shù)可以將由問題或被陰影遮蔽的電池板隔離

Freescale“走進(jìn)綠色”北美十佳作品

　　為了支持綠色設(shè)計(jì)，嵌入式控制器的領(lǐng)軍廠商Freescale公司在2008年舉辦了北美和中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的“2008 FTF國(guó)際設(shè)計(jì)應(yīng)用大賽”，主題是：如何把綠色工程最佳地應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)。以下介紹該公司北美地區(qū)的10個(gè)入圍決賽的項(xiàng)目，其中有4個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來自大學(xué)學(xué)生,排名不分先后。

凈水分流器

　　凈水分流器是一種保護(hù)水資源的簡(jiǎn)單創(chuàng)意，在正常情況下，水是通過處理系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，而不再服務(wù)于其他用途。實(shí)質(zhì)上，系統(tǒng)使用戶可以從水龍頭中接到熱水，而熱水通常是順著水管向下流，然后把它分流到盥洗室的貯水槽。

　　凈水分流器由位于加拿大安大略倫敦的OES公司的Mark Donkers提交。凈水分流器材料單（BOM）包括：

　　·操作員界面；

　　·雙渠道水分流器；

　　·貯水槽監(jiān)視器；

　　·單渠道水分流器。

　　每個(gè)模塊都通過與執(zhí)行所有邏輯功能的8位MC9S08GT微控制器（MCU）相集成的MC13211 2.4GHz RF收發(fā)器系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）進(jìn)行通信。系統(tǒng)自動(dòng)把收集來的水從貯水槽分流到盥洗室槽，以沖洗廁所。

數(shù)字太陽能蒸餾器

　　用太陽能從污水中提取可飲用水并不是大部分人們所認(rèn)為的“高科技”。蒸餾器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)頂部為玻璃的盒子，可以收集太陽能蒸發(fā)的冷凝蒸氣。然而，數(shù)字太陽能蒸餾器并不是把可再利用的水收集在壇子或瓶子中，而是智能地在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間把水分配到需要的地方。

照片2 美國(guó)2008FTF上展示的數(shù)字太陽能整流器

　　數(shù)字太陽能蒸餾器由墨西哥圣路易斯波托西市的Jose Luis Rojas提交，它具有額外的傳感器技術(shù)，可以估計(jì)一天的飲用水生產(chǎn)。如果把天氣變量編程到MCU（如太陽光的預(yù)計(jì)小時(shí)數(shù)）中，數(shù)字太陽能蒸餾器還可以估計(jì)每周和每月的用水總量。BOM（材料清單）包括：

　　·MCF51QE128—Flexis 32位 MCU；

　　·MC13203—用于ZigBee應(yīng)用的2.4 GHz RF 收發(fā)器；

　　·MPXV5004—集成的壓力傳感器；

　　·MC13213—帶有MC9S08GT 8位的MCU 2.4 GHz RF收發(fā)器SiP。

　　數(shù)字太陽能蒸餾器對(duì)發(fā)展中國(guó)家尤其有用，因?yàn)檫@些地方的飲用水和水管理系統(tǒng)的獲取可能會(huì)有一定的限制,該產(chǎn)品采用低成本組件設(shè)計(jì)，是一個(gè)誘人的方案。

用于溫室自動(dòng)化的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　溫室管理涉及對(duì)不同單元的持續(xù)監(jiān)視和激活，為植物生長(zhǎng)維持一個(gè)適宜的環(huán)境。當(dāng)用人工完成這些任務(wù)時(shí)，不但耗時(shí)，而且對(duì)理想的生長(zhǎng)環(huán)境不利。這個(gè)項(xiàng)目建議采用支持無線的自動(dòng)系統(tǒng)，管理灌溉系統(tǒng)、施肥、CO2注入、加熱和冷卻系統(tǒng)、輔助照明和其他功能。

　　基于ZigBee的自動(dòng)化系統(tǒng)由墨西哥托盧卡市CODE Ingenieria SA de CV的Fernando Gasca等5人提交，旨在讓每個(gè)溫室形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)溫室有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元：

　　·對(duì)接器件，采用MCF5208 ColdFire MCU執(zhí)行大部分處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)配置程序。如果需要范圍擴(kuò)展器，對(duì)接可作為ZigBee路由器使用；

　　·遙控，具有圖形LCD和電容觸摸袖珍鍵盤控制；

　　·傳感器節(jié)點(diǎn)，具有默認(rèn)的板內(nèi)溫度、濕度和光傳感器及用于客戶傳感器的額外模數(shù)輸入；

　　·制動(dòng)器節(jié)點(diǎn)，具有板內(nèi)鎖定電源繼電器，為各種單元供電，如灌溉、CO2注入、加熱、照明等。

　　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遵循星形拓?fù)?，每個(gè)單元均采用一個(gè)帶有BeeStack ZigBee協(xié)議堆棧的2.4 GHz MC13213 RF收發(fā)器，用于無線通信。

風(fēng)輪機(jī)活動(dòng)控制系統(tǒng)

　　作為一種替代能源，風(fēng)力是一種更為環(huán)境友好的選擇，它能夠在控制污染的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了最大限度地利用風(fēng)力發(fā)電，水平軸風(fēng)輪機(jī)的電子控制系統(tǒng)可以確保在任何時(shí)間的適當(dāng)校正風(fēng)力及正確間距值的維持，即便是在不斷位移的條件下。

　　風(fēng)輪機(jī)激活控制系統(tǒng)由墨西哥奇瓦瓦市蒙特雷技術(shù)大學(xué)的Oscar Roberto Salinas等5名同學(xué)提交，包括下列BOM：

　　·Flexis 32位 MCF51QE128 MCU；

　　·3個(gè)MMA7260Q 加速計(jì)；

　　·8個(gè)MPXV5004G壓力傳感器。

　　該系統(tǒng)旨在監(jiān)視風(fēng)速和風(fēng)向，并相應(yīng)地連續(xù)調(diào)節(jié)渦輪機(jī)襯片和葉片間距。舉例來說，系統(tǒng)不僅處理當(dāng)前風(fēng)向，而且也處理以前風(fēng)向，以預(yù)測(cè)下一刻的風(fēng)向。這種檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了方位的平穩(wěn)和及時(shí)的更改。相似流程可用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的間距。

日光效率探測(cè)儀

　　日光效率探測(cè)儀提供了一種監(jiān)視PV（光電）矩陣中每個(gè)PV模塊效率的方式，確保整個(gè)系統(tǒng)以最高性能水平運(yùn)行，從而消除了查找故障PV模塊的昂貴而耗時(shí)的人工檢測(cè)。

　　系統(tǒng)由美國(guó)佛羅里達(dá)州New Port Richey的FACTS Engineering的Thomas Moulton提交，每個(gè)PV模塊都與一個(gè)低成本8位MC9S08QG8 MCU相連。模塊由自己供電，QG8將采用集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）監(jiān)控模塊的電壓輸出，查找由于灰塵堆積、連接不良或模塊性能退化而導(dǎo)致的面板低效率。然后，QG8通過比較集成數(shù)據(jù)和歷史信息數(shù)據(jù)庫(kù)，驗(yàn)證PV的狀態(tài)。

　　片上通用異步收發(fā)器（UART）被用來與多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的MPC8313 PowerQUICC II微處理器交換數(shù)據(jù)。處理器將定期輪詢整個(gè)太陽能矩陣中的每個(gè)QG8，以讀取其狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)最小現(xiàn)場(chǎng)可替換單元層的矩陣性能的持續(xù)監(jiān)控。

智能斯特林發(fā)電機(jī)

　　斯特林引擎是閉合循環(huán)加熱引擎，可用來為大量應(yīng)用提供機(jī)械力或電動(dòng)力。從理論上說，它能夠提供完美的效率，然而，事實(shí)證明很難實(shí)現(xiàn)。智能斯特林發(fā)電機(jī)由墨西哥Villa Cuauhtemoc市的Alejandro Macario提交，它利用熱力學(xué)原理、特殊磁矩陣及電子組件，來提高諸如便攜式發(fā)電機(jī)等應(yīng)用的效率。

　　該項(xiàng)目的BOM包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 微控制器；

　　·MPC18730 電源管理 IC；

　　·MC33976 雙測(cè)量驅(qū)動(dòng)；

　　·MMA7260Q 加速計(jì)；

　　·MPXV5004G 壓力傳感器；

　　·5個(gè)溫度傳感器。

　　從根本上說，這創(chuàng)造了一個(gè)能夠更有效發(fā)電的自由活塞斯特林引擎：

　　·使用磁力馬達(dá)，通過內(nèi)部摩擦極大減少能量損失；

　　·采用Halbach矩陣，倍增線圈發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)；

　　·用靈活的8位MCU，通過電子方式控制引擎，來提高各個(gè)工作條件下的性能。

太陽跟隨器

　　當(dāng)太陽光線以垂直角度照射在儀器表面時(shí)，太陽能系統(tǒng)是最有效的，無論是PV模塊還是太陽能收集器。電子太陽能跟隨器采用垂直和水平制動(dòng)器，可以使PV矩陣或收集器隨太陽移動(dòng)，以維持最大效率。

　　出生在阿根廷圣弗朗西斯科的阿根廷國(guó)家科技大學(xué)學(xué)生Pablo Di Guilio提交了一個(gè)簡(jiǎn)單、低功率太陽能跟隨器的計(jì)劃。關(guān)鍵組件包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 MCU，為整個(gè)太陽能電源系統(tǒng)計(jì)算最佳定位；

　　·定時(shí)器和日期時(shí)鐘；

　　·脈寬調(diào)制（PWM）制動(dòng)器控制。

　　該系統(tǒng)能夠把發(fā)電量提高35%，并且可以優(yōu)化光纖太陽能收集器提供的天然照明。

靈活的燃油引擎控制裝置

　　靈活的燃油引擎控制裝置（FFECU）為標(biāo)準(zhǔn)引擎控制裝置（ECU）增加了一些新功能。由哥倫比亞布卡拉曼加市ECATES21的Erwin Saavedra提交的這一項(xiàng)目通過以下特性增強(qiáng)ECU：

　　·幾乎可以擴(kuò)展到任何規(guī)模內(nèi)燃機(jī)的靈活性；

　　·能夠使用幾乎任何燃料，主要是與生物乙醇的結(jié)合；

　　·適應(yīng)環(huán)境因素變化并調(diào)整不同引擎特性的能力，這要感謝神經(jīng)模糊（NF）算法。引擎型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)被保存下來，為NF網(wǎng)絡(luò)提供初始參數(shù)。

　　FFECU由Flexis 32位MCF51QE128微控制器控制，它集傳感器、驅(qū)動(dòng)器和其他離散組件于一身。整個(gè)解決方案包括：

　　·通用閉環(huán)控制算法，基于氧氣傳感器信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

　　·基于加速計(jì)的爆震探測(cè)儀；

　　·自適應(yīng)參數(shù)的外部存儲(chǔ)器；

　　·參數(shù)輸入的圖形用戶界面。

　　目的是創(chuàng)建一個(gè)低成本自適應(yīng)模塊，該模塊可以用現(xiàn)有引擎進(jìn)行翻新，盡管該引擎可能需要為適應(yīng)乙醇操作而進(jìn)行一些修改，如鍍鎳。

節(jié)油型汽車噴射系統(tǒng)

　　引擎爆震雖然只是不連續(xù)的燃油燃燒，但實(shí)際上，它可以給引擎帶來損壞。通過把水注入進(jìn)氣口來冷卻燃燒室，可以緩解這一情況。注水系統(tǒng)的使用雖然有一段時(shí)間，但該項(xiàng)目卻另辟溪徑。

　　北佛羅里達(dá)大學(xué)學(xué)生團(tuán)隊(duì)Kelvin LeBeaux、Harold Rivera和Dangkhoa Ly提交的這一系統(tǒng)不僅允許司機(jī)用水代替20%甚至更多的燃油，而且還實(shí)現(xiàn)了對(duì)幾種不同流體組合的精確控制，以決定最有效的結(jié)果。系統(tǒng)由16位S12XE MCU控制，采用ADC轉(zhuǎn)換來自系統(tǒng)壓力傳感器、用于中間存儲(chǔ)和CAN自動(dòng)輪詢的XGATE協(xié)處理器、串行通信接口（SCI）以及串行外設(shè)接口（SPI）端口的模擬信號(hào)。

　　該噴射系統(tǒng)有助于提高燃油里程、減少溫室氣體排放、減少引擎內(nèi)的碳堆積。

靈活的能源管理和自動(dòng)化系統(tǒng)

　　靈活的能源管理和自動(dòng)化系統(tǒng)（FEMAS）是家庭自動(dòng)化和家庭能源管理解決方案的結(jié)合，它把熟悉的光開關(guān)與插座更換和中央控制器結(jié)合起來。它采用專用的IEEE 802.15.4協(xié)議，實(shí)現(xiàn)照明和設(shè)備的自動(dòng)化及能源使用的監(jiān)視。

　　美國(guó)北卡羅來納州卡雷市Triangle Advanced Design and Automation的Charles Lord提交的這一系統(tǒng)的核心是Flexis 8位MC9S08JM60 USB微控制器，它能夠在無需主機(jī)PC交互的情況下，執(zhí)行所有日常功能。系統(tǒng)本身可以輕松升級(jí)到更強(qiáng)大的Flexis器件，即兼容引腳的MCF51JM128 ColdFire嵌入式控制器，以提供更多的計(jì)算能力。

　　此外，F(xiàn)EMAS還包括提出成本節(jié)省建議的PC軟件，包括降低燈泡瓦數(shù)、減少電路、關(guān)閉不用或不必要的電路等，使它成為一個(gè)完整的家庭能源管理系統(tǒng)。

軟硬件協(xié)作實(shí)現(xiàn)綠色平臺(tái)

　　軟件廠商也十分關(guān)注環(huán)保，為綠色創(chuàng)意搭建平臺(tái)。例如，2008年，微軟“創(chuàng)新杯”（Imagine Cup）全球?qū)W生大賽的主題是“科技可以實(shí)現(xiàn)全球的可持續(xù)發(fā)展”。北京郵電大學(xué)Wings團(tuán)隊(duì)獲得了嵌入式開發(fā)項(xiàng)目全球第二名的佳績(jī)。作品的主要?jiǎng)?chuàng)意是鑒于海洋石油污染已經(jīng)成為“海洋污染超級(jí)殺手”，在對(duì)青島國(guó)家海洋局走訪和調(diào)研之后，學(xué)生們開發(fā)了此系統(tǒng)。

照片3 北郵Wings團(tuán)隊(duì)在微軟“創(chuàng)新杯”大賽中獲獎(jiǎng)作品ppt封面：AquaMarine石油污染實(shí)時(shí)監(jiān)控分布式系統(tǒng)

　　AquaMarine是一個(gè)對(duì)石油污染實(shí)時(shí)監(jiān)控的分布式系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。該項(xiàng)目將數(shù)據(jù)采集部分嵌入到海洋浮標(biāo)中，從結(jié)點(diǎn)有兩類傳感器，第一類傳感器是判斷石油污染發(fā)生的，主要是透光度傳感器，紅外傳感器。還有預(yù)測(cè)未來的石油污染的狀況的傳感器，主要有風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，還有水流速傳感器，采集到的數(shù)據(jù)傳到主結(jié)點(diǎn)上；主結(jié)點(diǎn)通過內(nèi)嵌的GPRS與陸地上的處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理中心通過專門的軟件進(jìn)行處理。該項(xiàng)目有專門的處理數(shù)據(jù)的軟件。在系統(tǒng)的具體開發(fā)和實(shí)施過程中，利用了WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、專家系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)分析等技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，保證了系統(tǒng)的有效性和可靠性，并將整套系統(tǒng)維持在一個(gè)較低的成本上。

　　AquaMarine主要采用的硬件是Atmel AVR系列單片機(jī)和基于x86架構(gòu)的嵌入式設(shè)備eBox-4300。單片機(jī)利用WinAVR軟件進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言為C。eBox-4300帶有微軟的Windows Embedded CE 6.0操作系統(tǒng)，Wings隊(duì)通過重新編譯和燒錄，將符合最小要求的系統(tǒng)寫入到eBox當(dāng)中，從而對(duì)其傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。一方面，他們利用eBox的處理能力和Windows Embedded CE強(qiáng)大功能相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；另一方面，他們利用CE中的串口接口和無線模塊之間進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　可見，越來越多的電子企業(yè)和設(shè)計(jì)者正以創(chuàng)新節(jié)能為己任，為保護(hù)綠色地球、創(chuàng)造美好明天而貢獻(xiàn)綿薄之力。

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