什么是能量收集？

“能量收集?！?這個流行詞聽起來很簡單，但它實際上意味著什么？這種能量來自哪里，你如何“收獲”它？它對現(xiàn)實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。

能量收集因過于復(fù)雜而聲名狼藉，但它可能非常簡單。Arduino 通過將其組件簡化到任何人都可以做到的程度，徹底改變了業(yè)余愛好電子產(chǎn)品。

能量收集具有同樣的潛力。

能量收集由兩個關(guān)鍵部分組成——一種能源和將這種能量轉(zhuǎn)化為有用能量（即電力）的東西。

能量收集可以采用汽車發(fā)動機(jī)的振動、體溫或附近手機(jī)信號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源轉(zhuǎn)化為電能。

來自太陽或人造光源的光能是環(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能收集特別有用。

我能提供什么動力？

電子產(chǎn)品功率越來越低的趨勢推動了人們對能量收集的日益濃厚的興趣。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)備都可以通過太陽能收集得到充分補(bǔ)充，從而不再需要電池或有線電源。

那么，哪些類型的傳感器和無線設(shè)備可以通過太陽能收集供電呢？

傳感器

這個問題的答案將取決于三個主要因素：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，如果我們有一個藍(lán)牙傳感器，我們可以根據(jù)環(huán)境的光照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。然而，在更明亮的環(huán)境中，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)行方式會根據(jù)環(huán)境的光照條件而發(fā)生巨大變化。

一般來說，溫度和濕度等無源傳感器消耗的功率非常小，并且可以配置為在任何環(huán)境中運(yùn)行。需要采樣的設(shè)備，例如慣性、力和聲學(xué)傳感器，會消耗更多的能量，并且可能需要更明亮的環(huán)境才能運(yùn)行。相機(jī)、背光顯示器和燈是與戶外環(huán)境更兼容的高功耗設(shè)備的示例。

無線設(shè)備

無線設(shè)備的功耗取決于它運(yùn)行的協(xié)議。好消息是，最常見的協(xié)議（例如藍(lán)牙、LoRa、RFID 和蜂窩變體）的功耗可能非常低。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 秒可能會使總功耗減半。

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)，僅消耗微安級或更少的電流。

最后，完成傳輸所需的功率和時間會因每種協(xié)議而異。藍(lán)牙設(shè)備需要不到 5ms 和 30mW 的時間來傳輸一個數(shù)據(jù)包。然而，蜂窩設(shè)備可能需要幾秒鐘的時間，并且需要超過 1W 的功率才能完成傳輸。

底線是大多數(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？

現(xiàn)在是時候深入了解具體細(xì)節(jié)了。太陽能收集聽起來很有用且應(yīng)用廣泛，但有一個大問題。

我從哪說起呢？

如果可能的話，您應(yīng)該從開發(fā)工具包開始。在原型制作過程中，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盡一切可能將他們的技術(shù)集成到解決方案中。

原型制作過程可以分為三個簡單的步驟。

1） 識別設(shè)備、概念或想法。

2） 找到兼容的開發(fā)套件。

3）證明你的概念。

第一步有點不言自明。在閱讀了能量收集是什么以及它可以提供什么動力之后，您很可能已經(jīng)有幾個想法在您的腦海中浮現(xiàn)。讓我們繼續(xù)第 2 步。

查找兼容的開發(fā)套件

有許多現(xiàn)成的開發(fā)套件可供使用，它們可以為您完成繁重的工作并連接所有組件。它們具有從環(huán)境中提取能量、將其存儲在電池或存儲元件中并為設(shè)備供電的電路和大腦。

正確的套件將取決于您設(shè)備的電源要求和您的產(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您需要哪個套件來滿足其電源要求（電壓和電流）。找到輸出與電池或輸入電壓相匹配的套件。

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，許多套件都有內(nèi)置的鋰離子電池充電器，可以直接連接到已經(jīng)使用它們的設(shè)備上。

如果您是從零開始或只有一個概念，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)太陽能開發(fā)套件。

證明你的概念

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在環(huán)境中。理論計算可以提供粗略的估計，但查看您的系統(tǒng)是否工作的最準(zhǔn)確方法是在現(xiàn)場進(jìn)行測試。

對于能量收集應(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運(yùn)行壽命。

隨著時間的推移跟蹤電池電量是確定設(shè)備功耗的一種方法。一旦您收集了現(xiàn)場數(shù)據(jù)，您就可以開始對您的設(shè)計進(jìn)行明智的調(diào)整。

最好先查看設(shè)備，然后查看太陽能電池板，因為降低設(shè)備的功耗通常比收集更多的能量要容易得多。

要降低功耗，請嘗試降低數(shù)據(jù)速率并禁用未使用的功能。在最近的一個項目中，一個設(shè)備測量的睡眠電流高于預(yù)期。通過軟件梳理后，識別出一行代碼，開啟了日志功能。更改這一行代碼后，設(shè)備休眠電流從 200uA 下降到 2uA，整體功耗下降了近 100 倍。

在不先修改設(shè)備的情況下，需要一整臺太陽能，現(xiàn)在信用卡大小的太陽能電池板是理想的。

一旦您確信您已經(jīng)優(yōu)化了您的設(shè)備，您就可以查看太陽能解決方案。

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、重新部署并收集更多數(shù)據(jù)，直到您對所看到的性能感到滿意為止。

下一步

一旦你有了概念證明，下一個合乎邏輯的步驟就是開始改進(jìn)設(shè)計，讓它看起來更像最終產(chǎn)品。您可以繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的下一階段，并最終推出產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷