什么是能量收集？

“能量收集。” 這個(gè)流行詞聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它實(shí)際上意味著什么？這種能量來(lái)自哪里，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(wèn)題，所以讓我們深入研究。

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

能量收集具有同樣的潛力。

能量收集由兩個(gè)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、體溫或附近手機(jī)信號(hào)塔的無(wú)線(xiàn)電波的形式。壓電模塊、熱電模塊和天線(xiàn)可以將這些能源轉(zhuǎn)化為電能。

來(lái)自太陽(yáng)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(yáng)能收集特別有用。

我能提供什么動(dòng)力？

電子產(chǎn)品功率越來(lái)越低的趨勢(shì)推動(dòng)了人們對(duì)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(wú)線(xiàn)設(shè)備都可以通過(guò)太陽(yáng)能收集得到充分補(bǔ)充，從而不再需要電池或有線(xiàn)電源。

那么，哪些類(lèi)型的傳感器和無(wú)線(xiàn)設(shè)備可以通過(guò)太陽(yáng)能收集供電呢？

傳感器

這個(gè)問(wèn)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(jiàn)，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。

一般來(lái)說(shuō)，溫度和濕度等無(wú)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(huì)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(hù)外環(huán)境更兼容的高功耗設(shè)備的示例。

無(wú)線(xiàn)設(shè)備

無(wú)線(xiàn)設(shè)備的功耗取決于它運(yùn)行的協(xié)議。好消息是，最常見(jiàn)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(lèi)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(jí)或更少的電流。

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

底線(xiàn)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(kāi)始原型設(shè)計(jì)？

現(xiàn)在是時(shí)候深入了解具體細(xì)節(jié)了。太陽(yáng)能收集聽(tīng)起來(lái)很有用且應(yīng)用廣泛，但有一個(gè)大問(wèn)題。

我從哪說(shuō)起呢？

如果可能的話(huà)，您應(yīng)該從開(kāi)發(fā)工具包開(kāi)始。在原型制作過(guò)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(guò)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） 找到兼容的開(kāi)發(fā)套件。

3）證明你的概念。

第一步有點(diǎn)不言自明。在閱讀了能量收集是什么以及它可以提供什么動(dòng)力之后，您很可能已經(jīng)有幾個(gè)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(kāi)發(fā)套件

有許多現(xiàn)成的開(kāi)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(chǔ)在電池或存儲(chǔ)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(kāi)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(gè)套件來(lái)滿(mǎn)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(kāi)始或只有一個(gè)概念，則可以使用結(jié)合了能量收集和無(wú)線(xiàn)傳感組件的開(kāi)發(fā)套件，例如 PowerFilm 的BLE 室內(nèi)太陽(yáng)能開(kāi)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(jì)算可以提供粗略的估計(jì)，但查看您的系統(tǒng)是否工作的最準(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(lái)維持自身或延長(zhǎng)運(yùn)行壽命。

隨著時(shí)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(chǎng)數(shù)據(jù)，您就可以開(kāi)始對(duì)您的設(shè)計(jì)進(jìn)行明智的調(diào)整。

最好先查看設(shè)備，然后查看太陽(yáng)能電池板，因?yàn)榻档驮O(shè)備的功耗通常比收集更多的能量要容易得多。

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。通過(guò)軟件梳理后，識(shí)別出一行代碼，開(kāi)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(tái)太陽(yáng)能，現(xiàn)在信用卡大小的太陽(yáng)能電池板是理想的。

一旦您確信您已經(jīng)優(yōu)化了您的設(shè)備，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、重新部署并收集更多數(shù)據(jù)，直到您對(duì)所看到的性能感到滿(mǎn)意為止。

下一步

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

審核編輯：郭婷