什么是能量收集？

“能量收集。這個(gè)流行詞聽起來很直白，但它到底是什么意思呢？這種能量從何而來，你如何“收獲”它？它對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的解決方案有用嗎？我該如何使用它？這些都是很好的問題，所以讓我們深入研究一下。

能量收集因過于復(fù)雜而臭名昭著，但它可能非常簡(jiǎn)單。Arduino通過簡(jiǎn)化其組件來徹底改變業(yè)余愛好電子產(chǎn)品，使其達(dá)到任何人都可以做到的程度。

能量收集具有相同的潛力。

能量收集由兩個(gè)關(guān)鍵組成部分組成 - 一個(gè)能量源和將能量轉(zhuǎn)化為有用功率的東西，即電力。

能量收集可以采取汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，身體熱量或附近蜂窩塔的無線電波的形式。壓電模塊、熱電模塊和天線可以將這些能量轉(zhuǎn)化為電能。

來自太陽(yáng)或人造來源的光能是環(huán)境中最豐富的能源之一。光伏創(chuàng)新的悠久歷史使得太陽(yáng)能收集特別有用。

我能為什么提供動(dòng)力？

對(duì)能量收集的興趣日益濃厚，這得益于電子設(shè)備變得越來越低功耗的趨勢(shì)。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的許多傳感器和無線設(shè)備都可以通過太陽(yáng)能收集完全補(bǔ)充，從而消除了對(duì)電池或有線電源的需求。

那么，什么類型的傳感器和無線設(shè)備可以用太陽(yáng)能收集供電呢？

傳感器

問題的答案將取決于三個(gè)主要因素：環(huán)境的光照條件，設(shè)備本身以及設(shè)備的操作方式。

例如，如果我們有一個(gè)藍(lán)牙傳感器，我們可以根據(jù)環(huán)境的照明條件或多或少地更新。

在昏暗的室內(nèi)環(huán)境中，我們可能只有足夠的能量每隔幾分鐘更新一次。但是，在較亮的設(shè)置中，我們可以每秒更新多次。在室外環(huán)境中，藍(lán)牙傳感器可以不斷更新。

如您所見，設(shè)備的運(yùn)行方式會(huì)根據(jù)環(huán)境的光照條件而發(fā)生巨大變化。

通常，無源傳感器（如溫度和濕度）消耗的功率非常小，可以配置為在任何環(huán)境中運(yùn)行。需要采樣的設(shè)備，如慣性、力和聲學(xué)傳感器，消耗更多的能量，可能需要更明亮的環(huán)境來運(yùn)行。相機(jī)、背光顯示器和燈光是功耗更高的設(shè)備示例，這些設(shè)備與室外環(huán)境更兼容。

無線設(shè)備

無線設(shè)備的功耗取決于它正在運(yùn)行的協(xié)議。好消息是，最常見的協(xié)議，如藍(lán)牙，LoRa，RFID和蜂窩變體，可能非常低功耗。與傳感器類似，功耗主要受協(xié)議配置和操作方式的影響。

通常，最關(guān)鍵的參數(shù)是數(shù)據(jù)速率。您的設(shè)備多久收集和傳輸一次數(shù)據(jù)？在許多情況下，這與平均功耗成正比。這意味著將數(shù)據(jù)速率從 1 秒提高到 2 秒可能會(huì)使您的總功耗減半。

同樣重要的是設(shè)備的睡眠電流。在傳輸之間，許多協(xié)議允許設(shè)備進(jìn)入接近關(guān)閉狀態(tài)，僅消耗微安或更少的電流。

最后，完成傳輸所需的功率和時(shí)間因協(xié)議而異。藍(lán)牙設(shè)備需要不到5ms和30mW的功率來傳輸數(shù)據(jù)包。然而，蜂窩設(shè)備可能需要幾秒鐘，并且需要超過1W的功率才能完成傳輸。

最重要的是，大多數(shù)協(xié)議都可以配置為在任何環(huán)境中運(yùn)行。

如何開始原型設(shè)計(jì)？

現(xiàn)在是時(shí)候開始討論螺母和螺栓了。太陽(yáng)能收集聽起來有用且廣泛適用，但有一個(gè)大問題。

我從哪里開始？

如果可能的話，您應(yīng)該從開發(fā)工具包開始。在原型設(shè)計(jì)過程中，擁有正確的工具至關(guān)重要。能量收集模塊和能量收集電路的制造商已經(jīng)盡一切可能使其技術(shù)集成到解決方案中變得簡(jiǎn)單。

原型設(shè)計(jì)過程可以分為三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟。

1）識(shí)別設(shè)備，概念或想法。

2） 查找兼容的開發(fā)套件。

3）證明你的概念。

第一步有點(diǎn)不言自明。在閱讀了什么是能量收集以及它可以為它提供什么動(dòng)力之后，您很可能已經(jīng)在腦海中漂浮著幾個(gè)想法。讓我們繼續(xù)執(zhí)行步驟 2。

查找兼容的開發(fā)套件

有許多現(xiàn)成的開發(fā)套件可用，它們可以完成繁重的工作并為您連接所有組件。它們具有電路和大腦，可以從環(huán)境中提取能量，將其存儲(chǔ)在電池或存儲(chǔ)元件中，并為設(shè)備供電。

正確的套件將取決于設(shè)備的電源要求和產(chǎn)品開發(fā)階段。

如果您已經(jīng)擁有設(shè)備或成品，查看其電源可以深入了解需要哪種套件來滿足其電源要求（電壓和電流）。查找輸出與電池或輸入電壓匹配的套件。

例如，許多套件提供3V或可調(diào)功率輸出，可直接替代3V鋰紐扣電池。同樣，許多套件具有內(nèi)置的鋰離子電池充電器，可以直接在已經(jīng)使用它們的設(shè)備之間連接。

如果您從頭開始或只有一個(gè)概念，則可以使用結(jié)合了能量收集和無線傳感組件的開發(fā)套件，例如PowerFilm的BLE室內(nèi)太陽(yáng)能開發(fā)套件。

證明您的概念

最后一步是證明你的概念。將所有內(nèi)容放在一起并將其部署到環(huán)境中。理論計(jì)算可以提供粗略的估計(jì)，但查看系統(tǒng)是否正常工作的最準(zhǔn)確方法是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于能量收集應(yīng)用，您試圖證明的基本概念是，您的系統(tǒng)可以產(chǎn)生足夠的能量來維持自身或延長(zhǎng)使用壽命。

跟蹤一段時(shí)間內(nèi)的電池電量是確定設(shè)備功耗的一種方法。收集到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，您可以開始對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行明智的調(diào)整。

最好先看設(shè)備，然后再看太陽(yáng)能電池板，因?yàn)榻档驮O(shè)備的功耗通常比收集更多能量容易得多。

要降低功耗，請(qǐng)嘗試降低數(shù)據(jù)速率并禁用未使用的功能。在最近的一個(gè)項(xiàng)目中，一個(gè)設(shè)備測(cè)量的睡眠電流高于預(yù)期。梳理軟件后，識(shí)別出一行代碼，開啟了日志功能。更改此單行代碼后，器件休眠電流從 200uA 降至 2uA，總功耗下降了近 100 倍。

如果不先修改設(shè)備，就需要一整張?zhí)?yáng)能表，現(xiàn)在信用卡大小的太陽(yáng)能電池板是理想的。

一旦您確信已經(jīng)優(yōu)化了設(shè)備，那么您就可以查看太陽(yáng)能解決方案。

改變尺寸、照明條件、安裝角度或面板方向可以提高室內(nèi)太陽(yáng)能電池板的性能。然后根據(jù)需要進(jìn)行迭代。進(jìn)行調(diào)整、重新部署和收集更多數(shù)據(jù)，直到您對(duì)所看到的性能感到滿意為止。

后續(xù)步驟

一旦你有了概念驗(yàn)證，下一個(gè)合乎邏輯的步驟就是開始完善設(shè)計(jì)，讓它看起來更像一個(gè)最終產(chǎn)品。您可以繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的下一階段，并最終進(jìn)行產(chǎn)品發(fā)布。

太陽(yáng)能收集并不一定很復(fù)雜。如您所見，這可能非常簡(jiǎn)單。

審核編輯：郭婷