摘要：節能浪潮正在席捲世界各地，大眾越來越關心電子產品的節能問題。本文介紹了部分企業和設計者的新產品或創意。
關鍵詞：可再生能源；風能；太陽能；汙染；監控
太陽能、風能成為半導體廠商關心的熱點
電源鏈包括三方面：發電、傳輸和消費（如圖1）。在發電環節，風能和太陽能成為半導體廠商關心的熱點。例如，英飛凌公司針對可再生能源使用方面主要方案是風能和太陽能，像EmCon二極體，TrenchStop IGBT和高功率BIP等。「由於封裝是實現大電流技術的關鍵之一，英飛凌的EconoPACK、IHM模塊、BIP模塊和堆棧等先進封裝技術成為上述產品高效運作的有利保障。」 英飛凌科技香港公司家電及工業功率器件市場高級經理馬國偉博士指出。
圖1 整個電源鏈（註：此圖由英飛凌公司提供）
美國國家半導體公司（NS）CEO（執行長）Brian Halla在2009新年致辭中特別提到了對新能源的重視，他表示除了推出各種高能效的模擬技術，NS還在為太陽能推出高性能的模擬技術。以太陽能發電系統為例，NS的SolarMagic技術可以將由問題或被陰影遮蔽的電池板隔離，而無需取出串聯著的同組電池板。這樣一來，太陽能發電系統可以調節餘下的電池板，繼續進行高性能發電。
NS公司Brian Halla：SolarMagic技術可以將由問題或被陰影遮蔽的電池板隔離
Freescale「走進綠色」北美十佳作品
為了支持綠色設計，嵌入式控制器的領軍廠商Freescale公司在2008年舉辦了北美和中國等國家和地區的「2008 FTF國際設計應用大賽」，主題是：如何把綠色工程最佳地應用於現有技術。以下介紹該公司北美地區的10個入圍決賽的項目，其中有4個項目團隊來自大學學生,排名不分先後。
淨水分流器
淨水分流器是一種保護水資源的簡單創意，在正常情況下，水是通過處理系統進行循環，而不再服務於其他用途。實質上，系統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，然後把它分流到盥洗室的貯水槽。
淨水分流器由位於加拿大安大略倫敦的OES公司的Mark Donkers提交。淨水分流器材料單（BOM）包括：
·操作員界面；
·雙渠道水分流器；
·貯水槽監視器；
·單渠道水分流器。
每個模塊都通過與執行所有邏輯功能的8位MC9S08GT微控制器（MCU）相集成的MC13211 2.4GHz RF收發器系統級封裝（SiP）進行通信。系統自動把收集來的水從貯水槽分流到盥洗室槽，以衝洗廁所。
數字太陽能蒸餾器
用太陽能從汙水中提取可飲用水並不是大部分人們所認為的「高科技」。蒸餾器實質上就是一個頂部為玻璃的盒子，可以收集太陽能蒸發的冷凝蒸氣。然而，數字太陽能蒸餾器並不是把可再利用的水收集在罈子或瓶子中，而是智能地在恰當的時間把水分配到需要的地方。
照片2 美國2008FTF上展示的數字太陽能整流器
數字太陽能蒸餾器由墨西哥聖路易斯波託西市的Jose Luis Rojas提交，它具有額外的傳感器技術，可以估計一天的飲用水生產。如果把天氣變量編程到MCU（如太陽光的預計小時數）中，數字太陽能蒸餾器還可以估計每周和每月的用水總量。BOM（材料清單）包括：
·MCF51QE128—Flexis 32位 MCU；
·MC13203—用於ZigBee應用的2.4 GHz RF 收發器；
·MPXV5004—集成的壓力傳感器；
·MC13213—帶有MC9S08GT 8位的MCU 2.4 GHz RF收發器SiP。
數字太陽能蒸餾器對發展中國家尤其有用，因為這些地方的飲用水和水管理系統的獲取可能會有一定的限制,該產品採用低成本組件設計，是一個誘人的方案。
用於溫室自動化的基於ZigBee的無線傳感器網絡
溫室管理涉及對不同單元的持續監視和激活，為植物生長維持一個適宜的環境。當用人工完成這些任務時，不但耗時，而且對理想的生長環境不利。這個項目建議採用支持無線的自動系統，管理灌溉系統、施肥、CO2注入、加熱和冷卻系統、輔助照明和其他功能。
基於ZigBee的自動化系統由墨西哥託盧卡市CODE Ingenieria SA de CV的Fernando Gasca等5人提交，旨在讓每個溫室形成一個網絡，每個溫室有4個網絡單元：
·對接器件，採用MCF5208 ColdFire MCU執行大部分處理任務和網絡配置程序。如果需要範圍擴展器，對接可作為ZigBee路由器使用；
·遙控，具有圖形LCD和電容觸摸袖珍鍵盤控制；
·傳感器節點，具有默認的板內溫度、溼度和光傳感器及用於客戶傳感器的額外模數輸入；
·制動器節點，具有板內鎖定電源繼電器，為各種單元供電，如灌溉、CO2注入、加熱、照明等。
網絡架構遵循星形拓撲，每個單元均採用一個帶有BeeStack ZigBee協議堆棧的2.4 GHz MC13213 RF收發器，用於無線通信。
風輪機活動控制系統
作為一種替代能源，風力是一種更為環境友好的選擇，它能夠在控制汙染的同時，實現可持續經濟發展。為了最大限度地利用風力發電，水平軸風輪機的電子控制系統可以確保在任何時間的適當校正風力及正確間距值的維持，即便是在不斷位移的條件下。
風輪機激活控制系統由墨西哥奇瓦瓦市蒙特雷技術大學的Oscar Roberto Salinas等5名同學提交，包括下列BOM：
·Flexis 32位 MCF51QE128 MCU；
·3個MMA7260Q 加速計；
·8個MPXV5004G壓力傳感器。
該系統旨在監視風速和風向，並相應地連續調節渦輪機襯片和葉片間距。舉例來說，系統不僅處理當前風向，而且也處理以前風向，以預測下一刻的風向。這種檢測實現了方位的平穩和及時的更改。相似流程可用於調節轉子葉片的間距。
日光效率探測儀
日光效率探測儀提供了一種監視PV（光電）矩陣中每個PV模塊效率的方式，確保整個系統以最高性能水平運行，從而消除了查找故障PV模塊的昂貴而耗時的人工檢測。
系統由美國佛羅裡達州New Port Richey的FACTS Engineering的Thomas Moulton提交，每個PV模塊都與一個低成本8位MC9S08QG8 MCU相連。模塊由自己供電，QG8將採用集成的模數轉換器（ADC）監控模塊的電壓輸出，查找由於灰塵堆積、連接不良或模塊性能退化而導致的面板低效率。然後，QG8通過比較集成數據和歷史信息資料庫，驗證PV的狀態。
片上通用異步收發器（UART）被用來與多點網絡中的MPC8313 PowerQUICC II微處理器交換數據。處理器將定期輪詢整個太陽能矩陣中的每個QG8，以讀取其狀態，因此實現了對最小現場可替換單元層的矩陣性能的持續監控。
智能斯特林發電機
斯特林引擎是閉合循環加熱引擎，可用來為大量應用提供機械力或電動力。從理論上說，它能夠提供完美的效率，然而，事實證明很難實現。智能斯特林發電機由墨西哥Villa Cuauhtemoc市的Alejandro Macario提交，它利用熱力學原理、特殊磁矩陣及電子組件，來提高諸如可攜式發電機等應用的效率。
該項目的BOM包括：
·Flexis 8位MC9S08QE128 微控制器；
·MPC18730 電源管理 IC；
·MC33976 雙測量驅動；
·MMA7260Q 加速計；
·MPXV5004G 壓力傳感器；
·5個溫度傳感器。
從根本上說，這創造了一個能夠更有效發電的自由活塞斯特林引擎：
·使用磁力馬達，通過內部摩擦極大減少能量損失；
·採用Halbach矩陣，倍增線圈發電機的磁場；
·用靈活的8位MCU，通過電子方式控制引擎，來提高各個工作條件下的性能。
太陽跟隨器
當太陽光線以垂直角度照射在儀器表面時，太陽能系統是最有效的，無論是PV模塊還是太陽能收集器。電子太陽能跟隨器採用垂直和水平制動器，可以使PV矩陣或收集器隨太陽移動，以維持最大效率。
出生在阿根廷聖弗朗西斯科的阿根廷國家科技大學學生Pablo Di Guilio提交了一個簡單、低功率太陽能跟隨器的計劃。關鍵組件包括：
·Flexis 8位MC9S08QE128 MCU，為整個太陽能電源系統計算最佳定位；
·定時器和日期時鐘；
·脈寬調製（PWM）制動器控制。
該系統能夠把發電量提高35%，並且可以優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）為標準引擎控制裝置（ECU）增加了一些新功能。由哥倫比亞布卡拉曼加市ECATES21的Erwin Saavedra提交的這一項目通過以下特性增強ECU：
·幾乎可以擴展到任何規模內燃機的靈活性；
·能夠使用幾乎任何燃料，主要是與生物乙醇的結合；
·適應環境因素變化並調整不同引擎特性的能力，這要感謝神經模糊（NF）算法。引擎型號資料庫被保存下來，為NF網絡提供初始參數。
FFECU由Flexis 32位MCF51QE128微控制器控制，它集傳感器、驅動器和其他離散組件於一身。整個解決方案包括：
·通用閉環控制算法，基於氧氣傳感器信息進行實時調節；
·基於加速計的爆震探測儀；
·自適應參數的外部存儲器；
·參數輸入的圖形用戶界面。
目的是創建一個低成本自適應模塊，該模塊可以用現有引擎進行翻新，儘管該引擎可能需要為適應乙醇操作而進行一些修改，如鍍鎳。
節油型汽車噴射系統
引擎爆震雖然只是不連續的燃油燃燒，但實際上，它可以給引擎帶來損壞。通過把水注入進氣口來冷卻燃燒室，可以緩解這一情況。注水系統的使用雖然有一段時間，但該項目卻另闢溪徑。
北佛羅裡達大學學生團隊Kelvin LeBeaux、Harold Rivera和Dangkhoa Ly提交的這一系統不僅允許司機用水代替20%甚至更多的燃油，而且還實現了對幾種不同流體組合的精確控制，以決定最有效的結果。系統由16位S12XE MCU控制，採用ADC轉換來自系統壓力傳感器、用於中間存儲和CAN自動輪詢的XGATE協處理器、串行通信接口（SCI）以及串行外設接口（SPI）埠的模擬信號。
該噴射系統有助於提高燃油裡程、減少溫室氣體排放、減少引擎內的碳堆積。
靈活的能源管理和自動化系統
靈活的能源管理和自動化系統（FEMAS）是家庭自動化和家庭能源管理解決方案的結合，它把熟悉的光開關與插座更換和中央控制器結合起來。它採用專用的IEEE 802.15.4協議，實現照明和設備的自動化及能源使用的監視。
美國北卡羅來納州卡雷市Triangle Advanced Design and Automation的Charles Lord提交的這一系統的核心是Flexis 8位MC9S08JM60 USB微控制器，它能夠在無需主機PC交互的情況下，執行所有日常功能。系統本身可以輕鬆升級到更強大的Flexis器件，即兼容引腳的MCF51JM128 ColdFire嵌入式控制器，以提供更多的計算能力。
此外，FEMAS還包括提出成本節省建議的PC軟體，包括降低燈泡瓦數、減少電路、關閉不用或不必要的電路等，使它成為一個完整的家庭能源管理系統。
軟硬體協作實現綠色平臺
軟體廠商也十分關注環保，為綠色創意搭建平臺。例如，2008年，微軟「創新杯」（Imagine Cup）全球學生大賽的主題是「科技可以實現全球的可持續發展」。北京郵電大學Wings團隊獲得了嵌入式開發項目全球第二名的佳績。作品的主要創意是鑑於海洋石油汙染已經成為「海洋汙染超級殺手」，在對青島國家海洋局走訪和調研之後，學生們開發了此系統。
照片3 北郵Wings團隊在微軟「創新杯」大賽中獲獎作品ppt封面：AquaMarine石油汙染實時監控分布式系統
AquaMarine是一個對石油汙染實時監控的分布式系統，主要分為數據採集、數據傳輸和數據處理。該項目將數據採集部分嵌入到海洋浮標中，從結點有兩類傳感器，第一類傳感器是判斷石油汙染發生的，主要是透光度傳感器，紅外傳感器。還有預測未來的石油汙染的狀況的傳感器，主要有風向、風速傳感器，還有水流速傳感器，採集到的數據傳到主結點上；主結點通過內嵌的GPRS與陸地上的處理中心進行數據傳輸，數據處理中心通過專門的軟體進行處理。該項目有專門的處理數據的軟體。在系統的具體開發和實施過程中，利用了WSN（無線傳感器網絡）、專家系統、數學模型預測分析等技術和數據處理方法，保證了系統的有效性和可靠性，並將整套系統維持在一個較低的成本上。
AquaMarine主要採用的硬體是Atmel AVR系列單片機和基於x86架構的嵌入式設備eBox-4300。單片機利用WinAVR軟體進行開發，開發語言為C。eBox-4300帶有微軟的Windows Embedded CE 6.0作業系統，Wings隊通過重新編譯和燒錄，將符合最小要求的系統寫入到eBox當中，從而對其傳感器網絡進行控制。一方面，他們利用eBox的處理能力和Windows Embedded CE強大功能相結合，進行複雜的數學運算；另一方面，他們利用CE中的串口接口和無線模塊之間進行通信，進行數據收發。
可見，越來越多的電子企業和設計者正以創新節能為己任，為保護綠色地球、創造美好明天而貢獻綿薄之力。
參考文獻：
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[5] 北郵介紹微軟「創新杯」2008年獲獎經驗[R/OL]. [2008-09-04]. http://www.eepw.com.cn/article/87717.htm