在工業工廠和廠房中，希望降低環境傳感器系統的維護成本時，可以通過降低傳感器功耗來實現。本文描述如何利用微控制器的待機功能來降低傳感器系統的功耗。具體來說，就是將傳感器測量的頻度降低，讓系統盡可能長時間保持在待機狀態。除此之外，還能在保持該狀態的同時，執行異常檢測。瑞薩電子的16位微控制器芯片RL78/G11，提供了許多在待機模式下可用的外圍功能。通過這些功能的適當組合，不必讓芯片跳出待機模式，就可以實現異常檢測和警報輸出。

制造業中的工廠和廠房，需要大量的環境傳感器來監控諸如振動、氣體的存在、溫度、采光、粉塵等方面的信息。如今，這些任務通常會整合在系統中，再透過這套系統，持續收集大量的傳感器數據，并應用AI（人工智能）式的分析方法，以及早發現可能會影響制造，并導致故障的任何變化（預防性故障診斷和維護）。

在這種系統中使用的傳感器，其安裝可能受到空間 限制，而難以連接電源布線的位置，有時還必須在制造設備停止運作時收集數據。因此，這種傳感器經常由獨立的電池式電源供電。必須的電池更換頻度，會影響工廠的維護成本。如果只有少數傳感器，就不會造成嚴重 問題，但對于具有數十個或數百個傳感器的系統，更換電池所需的人工成本和時間，就成為重要的考慮因素。當考慮到降低電池更換頻度時，降低環境傳感器的功耗，即為一種有效的方法（圖1）。

圖1 與環境傳感器相關的維護成本

本文描述了如何利用微控制器的待機功能，來降低傳感器系統的功耗。

所使用的微控制器是瑞薩電子的16位RL78/G11芯片，專為傳感器應用、小型家電和類似設備而設計。

在降低量測頻率時，考慮適當的異常檢測方法用來生產精密零件的制造廠房的系統范例，可以用作環境傳感器應用的范例（圖2）。這里的目標，是借著減少傳感器系統的電流消耗來降低電池更換頻率。為了能更清楚明白，以下的說明專注在粉塵傳感器的控制，當作代表性的范例。

圖2 精密零件廠房的環境傳感器系統

在精密零件的制造上，空氣中的粉塵、煙霧、懸浮顆粒等，都會影響產量。為了控制好這部分，入口處會有空氣浴塵室用于人員的清潔，整間廠房的粉塵傳感器，則用于監測粉塵顆粒的濃度。空氣清凈機的運轉率，通常根據測量的濃度值升高或降低。

當廠房的運作正常時，粉塵濃度通常不會有較大的波動。借著在這種條件下降低測量頻率，可以降低粉塵傳感器的功耗。例如，透過每十秒，而不是每秒一次執行量測，功耗可以減少到十分之一。

反之，如果廠房的運作偏離穩定狀態，則粉塵濃度可能異常增加。在這種情況下，需要增加空氣清凈機的運轉率，但要等到粉塵濃度下降，可能仍需要一些時間。如果生產設備繼續在高濃度的粉塵下運轉，設備可能會被污染并需要清潔。因此，當粉塵異常增加時，必須立即停止廠房的生產設備。因此，用于檢測異常和系統控制的合適方法，必須好好的來思考。第一步，是配置用于檢測異常情況的系統。接下來，必須確保在異常檢測的情況下所需的處理步驟（例如輸出警報訊號）可以平穩且快速地執行。

這可以總結如下。粉塵傳感器系統需要：

(1) 降低測量的頻率

(2) 有能力檢測出異常情況

(3) 在檢測到異常的情況下，就可啟動系統控制。

外圍功能對傳感器處理很有用

在解釋如何實現這種控制系統之前，在此有一些關于RL78/G11芯片的信息（以下簡稱為G11）。該產品是瑞薩電子的RL78系列微控制器的一部分（見圖3）。其特點，是在提供適用于電壓測量、增強型模擬數字轉換外圍功能等的應用。舉例來說，這些功能可用于控制傳感 器的集線器和工業傳感器、電池模塊、電動工具、測量儀器、廚房用具、吸塵器、美容用具、空調風扇、通風設備等。

圖3 RL78系列路線圖

G11包含四種類型的定時器，以及串行通訊功能、一組比較器、可編程增益放大器(PGA)、10位A/D轉換器和8位D/A轉換器等。以下進一步說明的是，在CPU停止時，G11的許多外圍功能模塊仍然可以在待機模式下運行。

G11的電源電壓范圍為 1.6 V 至 5.5 V，包含三個振蕩器，用于生成工作時鐘信號。G11有四種閃存操作模式（flash operation mode），可優化內部電路的工作電壓、工作時序和工作電流。通過選擇合適的模式，并根據電源電壓范圍，以及要使用的時鐘頻率，可以盡可能有效地降低微控制器的電流消耗（圖 4）。

圖 4 RL78/G11的閃存操作模式 在待機模式下也能使用定時器進行間歇操作

要實現的第一個方向，是降低傳感器測量的頻度。利用微控制器的待機（standby）功能，間歇地操作粉塵傳感器，可以實現即只在測量粉塵濃度時，喚醒微控制器的CPU，并在其他時間將其保持在待機狀態（圖5）。這里的待機狀態應該理解為電流消耗減少了，但可以快速返回到正常狀態（可以執行粉塵濃度測量）的那種狀態。

圖5 使用待機狀態降低測量頻度