通過(guò)遠(yuǎn)程傳感器的太陽(yáng)能遙感器設(shè)計(jì)

本文是關(guān)于設(shè)計(jì)太陽(yáng)能遠(yuǎn)程傳感器的，該傳感器已隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展而普及。由于要使這種系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)電源不同，因此設(shè)計(jì)需要大量時(shí)間和規(guī)劃。該文檔還給出了一個(gè)，它給出了設(shè)計(jì)過(guò)程的循序漸進(jìn)的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，監(jiān)視環(huán)境并將數(shù)據(jù)傳輸回Internet連接主機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳感器已變得越來(lái)越普遍。設(shè)計(jì)這種由能量收集電源（例如，太陽(yáng)能電池板，熱或壓電發(fā)電機(jī)等）供電的傳感器，比設(shè)計(jì)具有標(biāo)準(zhǔn)電源（例如，電池或墻上適配器）。本文提供了一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，說(shuō)明如何優(yōu)化設(shè)計(jì)能量收集器并適當(dāng)調(diào)整電池的大小，以滿足最終應(yīng)用程序的負(fù)載，而不會(huì)過(guò)度設(shè)計(jì)或增加過(guò)多的成本。從系統(tǒng)負(fù)載開(kāi)始，再回到輸入源，可以設(shè)計(jì)出具有最佳尺寸組件的經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)。

步驟1：選擇收割機(jī)

第一步是為應(yīng)用環(huán)境選擇合適的能量收集器類型，而不是大小，以使非黑暗時(shí)間實(shí)際收集的能量最大化。我們用于說(shuō)明目的的示例系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池板驅(qū)動(dòng)的低功耗，最小尺寸的室外傳感器。如果可以使用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)源（熱梯度或機(jī)械振動(dòng)），則可以使用其他類型的收割機(jī)。

步驟2：最小化負(fù)載

如圖1的簡(jiǎn)化框圖所示，考慮太陽(yáng)能供電的室外遠(yuǎn)程溫度傳感器。設(shè)計(jì)能量收集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的步驟是通過(guò)以下步驟最小化系統(tǒng)的負(fù)載曲線：1）選擇功耗最低的IC，以及2）以低占空比突發(fā)模式運(yùn)行這些IC。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)傳感器本身，I / O外設(shè)和RF收發(fā)器由具有3.6V平均“ HI”電壓軌的鋰離子電池供電，而處理器內(nèi)核由單獨(dú)的1.8V電池供電。 V“ LO”導(dǎo)軌。

為了降低總功耗，系統(tǒng)具有兩個(gè)周期性的活動(dòng)模式和睡眠模式。在測(cè)量模式下，將進(jìn)行0.5 s的溫度測(cè)量。緊隨測(cè)量模式之后，發(fā)送和接收模式（TXRX模式）每60 s將發(fā)送和接收數(shù)據(jù)到主機(jī)或從主機(jī)接收數(shù)據(jù)的時(shí)間為100 ms。當(dāng)不使用收發(fā)器和測(cè)量設(shè)備時(shí)，處理器將進(jìn)入低功耗睡眠模式。系統(tǒng)的負(fù)載電流曲線如圖2所示。

步驟3：電源管理IC選擇

從負(fù)載曲線中，我們選擇了能夠在這些電壓和電流水平以及其他一些關(guān)鍵特性下工作的規(guī)格的dc / dc轉(zhuǎn)換器和/或電池充電器。理想情況下，功率IC的靜態(tài)電流遠(yuǎn)低于睡眠模式下系統(tǒng)的電流消耗。因?yàn)槟芰渴占吹淖杩馆敵霰鹊湫偷牡妥杩闺姵鼗虮谑竭m配器高得多，所以它的行為更像是電流源而不是電壓源。這導(dǎo)致其輸出電壓在比低阻抗（Low-Z）源的電壓低得多的輸出電流下塌陷。因此，緊接收割機(jī)的DC / DC轉(zhuǎn)換器必須管理（限制）自己的輸入電流消耗，以使收割機(jī)的輸出電壓不會(huì)崩潰。

最小尺寸的系統(tǒng)（包括太陽(yáng)能電池板面積）將具有盡可能少的太陽(yáng)能電池板電池，每個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)輸出0.6至0.7V。使用降壓型電池充電器對(duì)4.2 V鋰離子電池完全充電需要串聯(lián)7至8個(gè)以上的電池?；谏龎旱某潆娖骺稍谔?yáng)能電池板配置中提供更大的靈活性，并可能減少太陽(yáng)能電池板的數(shù)量。我們選擇帶有集成降壓轉(zhuǎn)換器的bq25570升壓型電池充電器，因?yàn)樗哂凶畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤（MPPT）和輸入電壓調(diào)節(jié)功能以及功率水平。MPPT功能可對(duì)太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路（空載）電壓進(jìn)行采樣，并每16 s將用戶選擇的一部分電壓存儲(chǔ)在電容器上。

步驟4：根據(jù)負(fù)載電流計(jì)算最小電池尺寸

電池容量以毫安小時(shí)（mAh）為單位。調(diào)整電池大小以確保在長(zhǎng)達(dá)兩天的黑暗天氣（例如云層遮蓋）下能完全運(yùn)行，我們首先計(jì)算電池提供的總電流（IHI1 + IHI2）。使用bq25570數(shù)據(jù)表中降壓轉(zhuǎn)換器的測(cè)得效率值，通過(guò)求解效率平衡方程= POUT / PIN =（VOUT x IOUT）/，將降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流（ILO）反射回高軌電流（IHI2）/ （VIN x IIN）..由于太陽(yáng)能電池板的工作時(shí)間以天為單位，因此我們乘以每種模式的占空比，然后乘以24小時(shí)/天，就可以消耗mAh /天。

步驟5：確定太陽(yáng)能電池板尺寸

將2.10 mAh /天乘以3.6 V平均電壓得出的系統(tǒng)需求為7.56 mWh /天。如果太陽(yáng)能電池板為bq25570升壓充電器24-7供電，那么其平均效率將達(dá)到80％，如果太陽(yáng)能電池提供7.56 mAh /天/0.8 = 9.45，則系統(tǒng)可以從升壓充電器輸出運(yùn)行而無(wú)需電池兆瓦時(shí)/天。

但是，我們每周僅在7個(gè)工作日中進(jìn)行5次充電，而每天僅進(jìn)行4小時(shí)充電，而電池則在2個(gè)暗日和非充電時(shí)間內(nèi)提供電力。這意味著太陽(yáng)能電池板必須提供額外的電量來(lái)為電池充電，總電量為9.45 mWh /天x 7天/ 5天/ 4 h /天= 2.65 mW。假設(shè)可以提供最小照度的0.025 W / cm2的太陽(yáng)能電池板，那么我們只需要2.65 mw / 0.025 mW / cm2 = 132 cm2的太陽(yáng)能電池板面積。

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