基于能量收集技術(shù)的智能家居應(yīng)用解決方案

有許多不同的方法可以利用環(huán)境能源為智能家居中的傳感器供電。太陽能既可以在戶外采集，也可以通過室內(nèi)照明獲得當(dāng)今的高效電池。熱能發(fā)電機(jī)可以為散熱器和窗戶上的致動(dòng)器提供溫差，甚至可以從開關(guān)的運(yùn)動(dòng)中獲取少量能量。以這種方式收獲電力允許將傳感器和致動(dòng)器節(jié)點(diǎn)放置在家中的任何位置，而不必?fù)?dān)心接入主電或接入以更換電池。這為房主創(chuàng)造了更強(qiáng)烈的吸引力，房主可以輕松添加可連接到現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器。

最成熟的方法之一是利用家中的環(huán)境照明，其中光線充足的房間有大約400勒克斯的照度，在陰影中下降到100到200勒克斯。這與室外照明的10,000至100,000勒克斯相比。生成的電量取決于陣列的大小，因此可以承載陣列的無線節(jié)點(diǎn)的大小與該陣列可以滿足的電源要求之間存在平衡。

圖1：Amorton太陽能電池陣列使用非晶硅和玻璃或塑料基板。

Panasonic的Amorton技術(shù)(如圖1所示)使用非晶硅使得太陽能轉(zhuǎn)換電池可以在制造期間連接在一起以產(chǎn)生任何期望的輸出電壓。這使得陣列可以支持1.5 V至3.0 V的輸出電壓范圍，為無線發(fā)射器和傳感器供電。

型號(hào)典型工作特性(初始)外部尺寸(mm)重量(g)FL-200lux FL-50lux(參考值)AM-1456 1.5 V-5.3μA1.4V-1.30μA25.0X 10.0 0.7 AM-1411 1.5 V-8.0μA1.4V-2.00μA29.6X 11.8 1.0 AM-1437 1.5 V-8.0μA1.4 V-2.00μA29.6X 11.8 1.0 AM-1407 1.5 V-11.5μA1.4V-2.85μA38.0X 12.5 1.3 AM-1417 1.5 V-12.5μA1.4V-3.10μA35.0X 13.9 1.3 AM-1424 1.5 V-20.0μA 1.4 V-5.00μA53.0X 13.8 2.0 AM-1454 1.5 V-31.0μA1.4V-7.75μA41.6X 26.3 3.0 AM-1513 1.8 V-15.0μA1.6V-3.75μA55.0X 13.5 2.0 AM-1805 3.0 V-15.5 μA2.6V-3.85μA55.0X 20.0 3.0 AM-1801 3.0 V-18.5μA2.6V-4.60μA53.0X 25.0 3.6 AM-1815 3.0 V-42.0μA2.6V-10.50μA58.1X 48.6 7.8 AM-1816 3.0 V- 84.0μA2.6V-21.00μA96.7X 56.7 15.6圖2：Amorton太陽能電池陣列的不同尺寸來自Panasonic的產(chǎn)品可以滿足智能傳感器或執(zhí)行器的電壓和電流要求。

因此，一個(gè)尺寸為55.0×20.0 mm的Amorton太陽能電池陣列從200 lux產(chǎn)生3 V輸出電流15.5μA，

如圖2中的表格所示。這足以從低功率收發(fā)器(如EnOcean的TCM300鏈路)到接近安全傳感器等設(shè)備為雙向鏈路供電。使陣列小于29.6 x 11.8 mm，在1.5 V時(shí)產(chǎn)生8.0μA電流，為二氧化碳監(jiān)測(cè)器等應(yīng)用提供單向鏈路，如果傳感器超出預(yù)設(shè)范圍，則只需發(fā)送簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)電報(bào)范圍。

STM的發(fā)射電流為24 mA，因此使用電容為模塊和任何傳感器建立足夠的功率。如圖3所示，其中發(fā)射模塊還充當(dāng)二氧化碳傳感器的接口。

圖3：將太陽能電池陣列與來自EnOcean的STM300收發(fā)器和用于智能家居中無線二氧化碳監(jiān)測(cè)器的CO2傳感器。

來自蘇格蘭氣體傳感解決方案公司的二氧化碳監(jiān)測(cè)器的新設(shè)計(jì)使用中紅外光源和探測(cè)器采用新型光學(xué)器件的技術(shù)可在連續(xù)工作時(shí)將功耗降至3.5 mA，從而可通過能量收集源供電。新的傳感器設(shè)計(jì)支持0-2000 ppm，0-5000 ppm和0-1%的測(cè)量范圍，在1.2秒內(nèi)快速預(yù)熱，因此可以關(guān)閉顯示器直到使用，從而降低功率要求。

二氧化碳傳感器面臨的挑戰(zhàn)之一是它會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移。采用雙通道方法，一個(gè)通道測(cè)量CO2濃度，而另一個(gè)通道測(cè)量傳感器信號(hào)強(qiáng)度。這種校準(zhǔn)可以每天處理，以確保傳感器是準(zhǔn)確的，并且可以在電容器產(chǎn)生足夠的電力并且定時(shí)時(shí)調(diào)度，以避免任何也會(huì)耗盡電源的傳輸。

此類傳感器可自動(dòng)進(jìn)行自校準(zhǔn)，無需電池即可在完全黑暗的環(huán)境下長(zhǎng)達(dá)16小時(shí)。根據(jù)光照水平自動(dòng)改變采樣率(每小時(shí)9到2個(gè)樣本)，或者可以在10,15或30分鐘固定。添加可選的可充電電池意味著傳感器可以在非常低的光照條件下工作大約10年。

甚至可以從EnOcean收集搖臂開關(guān)(如PTM200)產(chǎn)生的能量。在這種情況下，能量來自內(nèi)置的電動(dòng)能量傳感器，由1.8 mm弓形驅(qū)動(dòng)，可通過適當(dāng)?shù)陌粹o或開關(guān)搖桿從左側(cè)或右側(cè)推出模塊外部(圖4)。這可以用于壁掛式平板搖桿開關(guān)以及帶有多達(dá)四個(gè)按鈕的手持遙控器，所有這些都不需要電池。

圖4：PTM200搖臂開關(guān)從開關(guān)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生足夠的功率以發(fā)送無線信息。

當(dāng)向下推弓時(shí)，7 N力產(chǎn)生足夠的電流以便與之發(fā)送RF電報(bào)。模塊的32位ID。釋放弓形會(huì)生成不同的電報(bào)數(shù)據(jù)，因此每個(gè)PTM電報(bào)都包含按下或釋放弓的信息，以及所需的時(shí)間，以便可以輕松檢測(cè)到“短”和“長(zhǎng)”操作。這樣可以將搖桿用于調(diào)光控制等應(yīng)用。

這也可以輕松安裝開關(guān)，而無需擔(dān)心電源線上的AC-DC或DC-DC轉(zhuǎn)換器它們本身，并允許遙控器獨(dú)立于任何電池，這對(duì)任何家庭系統(tǒng)都是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

能量收集允許集成其他傳感器，如接近探測(cè)器，以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，用于安全系統(tǒng)。 Silicon Labs的Si1145-M01反射型環(huán)境光模塊具有集成的單紅外LED，兩個(gè)額外的LED驅(qū)動(dòng)器輸出，一個(gè)I 2 C數(shù)字接口，以及可編程事件中斷輸出接近探測(cè)器。該模塊將LED和探測(cè)器集成到一個(gè)芯片中，以減少光源和接收之間的任何干擾。這有助于光電二極管響應(yīng)和相關(guān)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路提供對(duì)人造光閃爍和自然光顫動(dòng)的免疫力，這可能是接近傳感器的問題。

基于能量收集技術(shù)的智能家居應(yīng)用解決方案

圖5：Si1145環(huán)境光模塊已針對(duì)低功耗操作進(jìn)行了優(yōu)化，可作為接近傳感器，可通過太陽能電池陣列供電并連接作為主機(jī)控制器的無線收發(fā)器。

該器件的電源電壓為1.71至3.6 V，因此使用太陽能電池陣列作為光源是沒有問題的。 9μA的平均電流也完全在陣列提供的功率范圍內(nèi)，并且是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素。通過在180 mA時(shí)每800 ms脈沖LED25.6μs，待機(jī)電流低于500 nA，可以保持較低的平均電流。喚醒觸發(fā)可以是內(nèi)部或外部，該設(shè)備包括一個(gè)內(nèi)置電壓監(jiān)控器和上電復(fù)位控制器，以進(jìn)一步支持太陽能電池陣列的使用，并作為控制器鏈接到無線收發(fā)器，如圖5.

支持來自能量收集源的不同輸入功率，每個(gè)輸出的LED電流可獨(dú)立編程，從幾毫安到幾百。這使得設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化接近檢測(cè)性能的設(shè)計(jì)，或者通過更小的太陽能電池實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)節(jié)能。另外，這允許主機(jī)一旦物體進(jìn)入接近球體就減小LED電流，并且仍然可以在較低的電流設(shè)置下跟蹤物體。

所有這些低功耗模式對(duì)于支持接近傳感器的操作及其與無線模塊的集成至關(guān)重要，兩者均由太陽能電池陣列供電。

結(jié)論

在過去幾年中，太陽能電池板和其他能量收集技術(shù)的效率發(fā)生了巨大變化，以提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所需的1.8 V至3 V電源。由于傳感器和控制器的功耗也在下降，并且設(shè)備制造商更加關(guān)注芯片的峰值和平均電流消耗，因此從家庭中的能源為家庭中的智能設(shè)備供電的能力已經(jīng)變得切實(shí)可行命題，甚至開關(guān)的動(dòng)能提供足夠的功率。

通過關(guān)注設(shè)計(jì)的總體電流要求，現(xiàn)在可以調(diào)整太陽能電池陣列的大小，以提供電流和電壓，使傳感器能夠與無線收發(fā)器耦合并放置在整個(gè)家庭中，而無需擔(dān)心更換電池或供電。