让绿色创意变成现实

摘要：节能浪潮正在席卷世界各地，大众越来越关心电子产品的节能问题。本文介绍了部分企业和设计者的新产品或创意。
关键词：可再生能源；风能；太阳能；污染；监控

太阳能、风能成为半导体厂商关心的热点

　　电源链包括三方面：发电、传输和消费（如图1）。在发电环节，风能和太阳能成为半导体厂商关心的热点。例如，英飞凌公司针对可再生能源使用方面主要方案是风能和太阳能，像EmCon二极管，TrenchStop IGBT和高功率BIP等。“由于封装是实现大电流技术的关键之一，英飞凌的EconoPACK、IHM模块、BIP模块和堆栈等先进封装技术成为上述产品高效运作的有利保障。” 英飞凌科技香港公司家电及工业功率器件市场高级经理马国伟博士指出。

图1 整个电源链（注：此图由英飞凌公司提供）

　　美国国家半导体公司（NS）CEO（首席执行官）Brian Halla在2009新年致辞中特别提到了对新能源的重视，他表示除了推出各种高能效的模拟技术，NS还在为太阳能推出高性能的模拟技术。以太阳能发电系统为例，NS的SolarMagic技术可以将由问题或被阴影遮蔽的电池板隔离，而无需取出串联着的同组电池板。这样一来，太阳能发电系统可以调节余下的电池板，继续进行高性能发电。

NS公司Brian Halla：SolarMagic技术可以将由问题或被阴影遮蔽的电池板隔离

Freescale“走进绿色”北美十佳作品

　　为了支持绿色设计，嵌入式控制器的领军厂商Freescale公司在2008年举办了北美和中国等国家和地区的“2008 FTF国际设计应用大赛”，主题是：如何把绿色工程最佳地应用于现有技术。以下介绍该公司北美地区的10个入围决赛的项目，其中有4个项目团队来自大学学生,排名不分先后。

净水分流器

　　净水分流器是一种保护水资源的简单创意，在正常情况下，水是通过处理系统进行循环，而不再服务于其他用途。实质上，系统使用户可以从水龙头中接到热水，而热水通常是顺着水管向下流，然后把它分流到盥洗室的贮水槽。

　　净水分流器由位于加拿大安大略伦敦的OES公司的Mark Donkers提交。净水分流器材料单（BOM）包括：

　　·操作员界面；

　　·双渠道水分流器；

　　·贮水槽监视器；

　　·单渠道水分流器。

　　每个模块都通过与执行所有逻辑功能的8位MC9S08GT微控制器（MCU）相集成的MC13211 2.4GHz RF收发器系统级封装（SiP）进行通信。系统自动把收集来的水从贮水槽分流到盥洗室槽，以冲洗厕所。

数字太阳能蒸馏器

　　用太阳能从污水中提取可饮用水并不是大部分人们所认为的“高科技”。蒸馏器实质上就是一个顶部为玻璃的盒子，可以收集太阳能蒸发的冷凝蒸气。然而，数字太阳能蒸馏器并不是把可再利用的水收集在坛子或瓶子中，而是智能地在恰当的时间把水分配到需要的地方。

照片2 美国2008FTF上展示的数字太阳能整流器

　　数字太阳能蒸馏器由墨西哥圣路易斯波托西市的Jose Luis Rojas提交，它具有额外的传感器技术，可以估计一天的饮用水生产。如果把天气变量编程到MCU（如太阳光的预计小时数）中，数字太阳能蒸馏器还可以估计每周和每月的用水总量。BOM（材料清单）包括：

　　·MCF51QE128—Flexis 32位 MCU；

　　·MC13203—用于ZigBee应用的2.4 GHz RF 收发器；

　　·MPXV5004—集成的压力传感器；

　　·MC13213—带有MC9S08GT 8位的MCU 2.4 GHz RF收发器SiP。

　　数字太阳能蒸馏器对发展中国家尤其有用，因为这些地方的饮用水和水管理系统的获取可能会有一定的限制,该产品采用低成本组件设计，是一个诱人的方案。

用于温室自动化的基于ZigBee的无线传感器网络

　　温室管理涉及对不同单元的持续监视和激活，为植物生长维持一个适宜的环境。当用人工完成这些任务时，不但耗时，而且对理想的生长环境不利。这个项目建议采用支持无线的自动系统，管理灌溉系统、施肥、CO2注入、加热和冷却系统、辅助照明和其他功能。

　　基于ZigBee的自动化系统由墨西哥托卢卡市CODE Ingenieria SA de CV的Fernando Gasca等5人提交，旨在让每个温室形成一个网络，每个温室有4个网络单元：

　　·对接器件，采用MCF5208 ColdFire MCU执行大部分处理任务和网络配置程序。如果需要范围扩展器，对接可作为ZigBee路由器使用；

　　·遥控，具有图形LCD和电容触摸袖珍键盘控制；

　　·传感器节点，具有默认的板内温度、湿度和光传感器及用于客户传感器的额外模数输入；

　　·制动器节点，具有板内锁定电源继电器，为各种单元供电，如灌溉、CO2注入、加热、照明等。

　　网络架构遵循星形拓扑，每个单元均采用一个带有BeeStack ZigBee协议堆栈的2.4 GHz MC13213 RF收发器，用于无线通信。

风轮机活动控制系统

　　作为一种替代能源，风力是一种更为环境友好的选择，它能够在控制污染的同时，实现可持续经济发展。为了最大限度地利用风力发电，水平轴风轮机的电子控制系统可以确保在任何时间的适当校正风力及正确间距值的维持，即便是在不断位移的条件下。

　　风轮机激活控制系统由墨西哥奇瓦瓦市蒙特雷技术大学的Oscar Roberto Salinas等5名同学提交，包括下列BOM：

　　·Flexis 32位 MCF51QE128 MCU；

　　·3个MMA7260Q 加速计；

　　·8个MPXV5004G压力传感器。

　　该系统旨在监视风速和风向，并相应地连续调节涡轮机衬片和叶片间距。举例来说，系统不仅处理当前风向，而且也处理以前风向，以预测下一刻的风向。这种检测实现了方位的平稳和及时的更改。相似流程可用于调节转子叶片的间距。

日光效率探测仪

　　日光效率探测仪提供了一种监视PV（光电）矩阵中每个PV模块效率的方式，确保整个系统以最高性能水平运行，从而消除了查找故障PV模块的昂贵而耗时的人工检测。

　　系统由美国佛罗里达州New Port Richey的FACTS Engineering的Thomas Moulton提交，每个PV模块都与一个低成本8位MC9S08QG8 MCU相连。模块由自己供电，QG8将采用集成的模数转换器（ADC）监控模块的电压输出，查找由于灰尘堆积、连接不良或模块性能退化而导致的面板低效率。然后，QG8通过比较集成数据和历史信息数据库，验证PV的状态。

　　片上通用异步收发器（UART）被用来与多点网络中的MPC8313 PowerQUICC II微处理器交换数据。处理器将定期轮询整个太阳能矩阵中的每个QG8，以读取其状态，因此实现了对最小现场可替换单元层的矩阵性能的持续监控。

智能斯特林发电机

　　斯特林引擎是闭合循环加热引擎，可用来为大量应用提供机械力或电动力。从理论上说，它能够提供完美的效率，然而，事实证明很难实现。智能斯特林发电机由墨西哥Villa Cuauhtemoc市的Alejandro Macario提交，它利用热力学原理、特殊磁矩阵及电子组件，来提高诸如便携式发电机等应用的效率。

　　该项目的BOM包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 微控制器；

　　·MPC18730 电源管理 IC；

　　·MC33976 双测量驱动；

　　·MMA7260Q 加速计；

　　·MPXV5004G 压力传感器；

　　·5个温度传感器。

　　从根本上说，这创造了一个能够更有效发电的自由活塞斯特林引擎：

　　·使用磁力马达，通过内部摩擦极大减少能量损失；

　　·采用Halbach矩阵，倍增线圈发电机的磁场；

　　·用灵活的8位MCU，通过电子方式控制引擎，来提高各个工作条件下的性能。

太阳跟随器

　　当太阳光线以垂直角度照射在仪器表面时，太阳能系统是最有效的，无论是PV模块还是太阳能收集器。电子太阳能跟随器采用垂直和水平制动器，可以使PV矩阵或收集器随太阳移动，以维持最大效率。

　　出生在阿根廷圣弗朗西斯科的阿根廷国家科技大学学生Pablo Di Guilio提交了一个简单、低功率太阳能跟随器的计划。关键组件包括：

　　·Flexis 8位MC9S08QE128 MCU，为整个太阳能电源系统计算最佳定位；

　　·定时器和日期时钟；

　　·脉宽调制（PWM）制动器控制。

　　该系统能够把发电量提高35%，并且可以优化光纤太阳能收集器提供的天然照明。

灵活的燃油引擎控制装置

　　灵活的燃油引擎控制装置（FFECU）为标准引擎控制装置（ECU）增加了一些新功能。由哥伦比亚布卡拉曼加市ECATES21的Erwin Saavedra提交的这一项目通过以下特性增强ECU：

　　·几乎可以扩展到任何规模内燃机的灵活性；

　　·能够使用几乎任何燃料，主要是与生物乙醇的结合；

　　·适应环境因素变化并调整不同引擎特性的能力，这要感谢神经模糊（NF）算法。引擎型号数据库被保存下来，为NF网络提供初始参数。

　　FFECU由Flexis 32位MCF51QE128微控制器控制，它集传感器、驱动器和其他离散组件于一身。整个解决方案包括：

　　·通用闭环控制算法，基于氧气传感器信息进行实时调节；

　　·基于加速计的爆震探测仪；

　　·自适应参数的外部存储器；

　　·参数输入的图形用户界面。

　　目的是创建一个低成本自适应模块，该模块可以用现有引擎进行翻新，尽管该引擎可能需要为适应乙醇操作而进行一些修改，如镀镍。

节油型汽车喷射系统

　　引擎爆震虽然只是不连续的燃油燃烧，但实际上，它可以给引擎带来损坏。通过把水注入进气口来冷却燃烧室，可以缓解这一情况。注水系统的使用虽然有一段时间，但该项目却另辟溪径。

　　北佛罗里达大学学生团队Kelvin LeBeaux、Harold Rivera和Dangkhoa Ly提交的这一系统不仅允许司机用水代替20%甚至更多的燃油，而且还实现了对几种不同流体组合的精确控制，以决定最有效的结果。系统由16位S12XE MCU控制，采用ADC转换来自系统压力传感器、用于中间存储和CAN自动轮询的XGATE协处理器、串行通信接口（SCI）以及串行外设接口（SPI）端口的模拟信号。

　　该喷射系统有助于提高燃油里程、减少温室气体排放、减少引擎内的碳堆积。

灵活的能源管理和自动化系统

　　灵活的能源管理和自动化系统（FEMAS）是家庭自动化和家庭能源管理解决方案的结合，它把熟悉的光开关与插座更换和中央控制器结合起来。它采用专用的IEEE 802.15.4协议，实现照明和设备的自动化及能源使用的监视。

　　美国北卡罗来纳州卡雷市Triangle Advanced Design and Automation的Charles Lord提交的这一系统的核心是Flexis 8位MC9S08JM60 USB微控制器，它能够在无需主机PC交互的情况下，执行所有日常功能。系统本身可以轻松升级到更强大的Flexis器件，即兼容引脚的MCF51JM128 ColdFire嵌入式控制器，以提供更多的计算能力。

　　此外，FEMAS还包括提出成本节省建议的PC软件，包括降低灯泡瓦数、减少电路、关闭不用或不必要的电路等，使它成为一个完整的家庭能源管理系统。

软硬件协作实现绿色平台

　　软件厂商也十分关注环保，为绿色创意搭建平台。例如，2008年，微软“创新杯”（Imagine Cup）全球学生大赛的主题是“科技可以实现全球的可持续发展”。北京邮电大学Wings团队获得了嵌入式开发项目全球第二名的佳绩。作品的主要创意是鉴于海洋石油污染已经成为“海洋污染超级杀手”，在对青岛国家海洋局走访和调研之后，学生们开发了此系统。

照片3 北邮Wings团队在微软“创新杯”大赛中获奖作品ppt封面：AquaMarine石油污染实时监控分布式系统

　　AquaMarine是一个对石油污染实时监控的分布式系统，主要分为数据采集、数据传输和数据处理。该项目将数据采集部分嵌入到海洋浮标中，从结点有两类传感器，第一类传感器是判断石油污染发生的，主要是透光度传感器，红外传感器。还有预测未来的石油污染的状况的传感器，主要有风向、风速传感器，还有水流速传感器，采集到的数据传到主结点上；主结点通过内嵌的GPRS与陆地上的处理中心进行数据传输，数据处理中心通过专门的软件进行处理。该项目有专门的处理数据的软件。在系统的具体开发和实施过程中，利用了WSN（无线传感器网络）、专家系统、数学模型预测分析等技术和数据处理方法，保证了系统的有效性和可靠性，并将整套系统维持在一个较低的成本上。

　　AquaMarine主要采用的硬件是Atmel AVR系列单片机和基于x86架构的嵌入式设备eBox-4300。单片机利用WinAVR软件进行开发，开发语言为C。eBox-4300带有微软的Windows Embedded CE 6.0操作系统，Wings队通过重新编译和烧录，将符合最小要求的系统写入到eBox当中，从而对其传感器网络进行控制。一方面，他们利用eBox的处理能力和Windows Embedded CE强大功能相结合，进行复杂的数学运算；另一方面，他们利用CE中的串口接口和无线模块之间进行通信，进行数据收发。

　　可见，越来越多的电子企业和设计者正以创新节能为己任，为保护绿色地球、创造美好明天而贡献绵薄之力。

参考文献：

[1] NS携SolarMagic芯片技术进军太阳能光伏市场[R/OL]. [2008-07-23]. //m.amcfsurvey.com/article/86090.htm
[2] 王莹. 功率半导体挖掘节能潜力[J]. 电子产品世界，2008，3：20
[3] 飞思卡尔宣布入围首届绿色FTF设计应用大奖赛的决赛选手[R/OL].[2008-07-09. ] http://www.freescale.com.cn/media/2008/0709.asp
[4] 迎九. 北邮、微软畅谈2008微软“创新杯”感想[J]. 电子产品世界，2008，10：147
[5] 北邮介绍微软“创新杯”2008年获奖经验[R/OL]. [2008-09-04]. //m.amcfsurvey.com/article/87717.htm