基于能量收集技术的智能家居应用解决方案

有许多不同的方法可以利用环境能源为智能家居中的传感器供电。太阳能既可以在户外采集，也可以通过室内照明获得当今的高效电池。热能发电机可以为散热器和窗户上的致动器提供温差，甚至可以从开关的运动中获取少量能量。以这种方式收获电力允许将传感器和致动器节点放置在家中的任何位置，而不必担心接入主电或接入以更换电池。这为房主创造了更强烈的吸引力，房主可以轻松添加可连接到现有无线网络的传感器。

最成熟的方法之一是利用家中的环境照明，其中光线充足的房间有大约400勒克斯的照度，在阴影中下降到100到200勒克斯。这与室外照明的10,000至100,000勒克斯相比。生成的电量取决于阵列的大小，因此可以承载阵列的无线节点的大小与该阵列可以满足的电源要求之间存在平衡。

图1：Amorton太阳能电池阵列使用非晶硅和玻璃或塑料基板。

Panasonic的Amorton技术（如图1所示）使用非晶硅使得太阳能转换电池可以在制造期间连接在一起以产生任何期望的输出电压。这使得阵列可以支持1.5 V至3.0 V的输出电压范围，为无线发射器和传感器供电。

型号典型工作特性（初始）外部尺寸（mm）重量（g）FL-200lux FL-50lux（参考值）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

图2：Amorton太阳能电池阵列的不同尺寸来自Panasonic的产品可以满足智能传感器或执行器的电压和电流要求。

因此，一个尺寸为55.0×20.0 mm的Amorton太阳能电池阵列从200 lux产生3 V输出电流15.5μA，如图2中的表格所示。这足以从低功率收发器（如EnOcean的TCM300链路）到接近安全传感器等设备为双向链路供电。使阵列小于29.6 x 11.8 mm，在1.5 V时产生8.0μA电流，为二氧化碳监测器等应用提供单向链路，如果传感器超出预设范围，则只需发送简单的数据电报范围。

STM的发射电流为24 mA，因此使用电容为模块和任何传感器建立足够的功率。如图3所示，其中发射模块还充当二氧化碳传感器的接口。

图3：将太阳能电池阵列与来自EnOcean的STM300收发器和用于智能家居中无线二氧化碳监测器的CO2传感器。

来自苏格兰气体传感解决方案公司的二氧化碳监测器的新设计使用中红外光源和探测器采用新型光学器件的技术可在连续工作时将功耗降至3.5 mA，从而可通过能量收集源供电。新的传感器设计支持0-2000 ppm，0-5000 ppm和0-1％的测量范围，在1.2秒内快速预热，因此可以关闭显示器直到使用，从而降低功率要求。

二氧化碳传感器面临的挑战之一是它会随着时间的推移而漂移。采用双通道方法，一个通道测量CO2浓度，而另一个通道测量传感器信号强度。这种校准可以每天处理，以确保传感器是准确的，并且可以在电容器产生足够的电力并且定时时调度，以避免任何也会耗尽电源的传输。

此类传感器可自动进行自校准，无需电池即可在完全黑暗的环境下长达16小时。根据光照水平自动改变采样率（每小时9到2个样本），或者可以在10,15或30分钟固定。添加可选的可充电电池意味着传感器可以在非常低的光照条件下工作大约10年。

甚至可以从EnOcean收集摇臂开关（如PTM200）产生的能量。在这种情况下，能量来自内置的电动能量传感器，由1.8 mm弓形驱动，可通过适当的按钮或开关摇杆从左侧或右侧推出模块外部（图4）。这可以用于壁挂式平板摇杆开关以及带有多达四个按钮的手持遥控器，所有这些都不需要电池。

图4：PTM200摇臂开关从开关的运动产生足够的功率以发送无线信息。

当向下推弓时，7 N力产生足够的电流以便与之发送RF电报。模块的32位ID。释放弓形会生成不同的电报数据，因此每个PTM电报都包含按下或释放弓的信息，以及所需的时间，以便可以轻松检测到“短”和“长”操作。这样可以将摇杆用于调光控制等应用。

这也可以轻松安装开关，而无需担心电源线上的AC-DC或DC-DC转换器它们本身，并允许遥控器独立于任何电池，这对任何家庭系统都是一个巨大的优势。

能量收集允许集成其他传感器，如接近探测器，以检测运动，用于安全系统。 Silicon Labs的Si1145-M01反射型环境光模块具有集成的单红外LED，两个额外的LED驱动器输出，一个I 2 C数字接口，以及可编程事件中断输出接近探测器。该模块将LED和探测器集成到一个芯片中，以减少光源和接收之间的任何干扰。这有助于光电二极管响应和相关的数字转换电路提供对人造光闪烁和自然光颤动的免疫力，这可能是接近传感器的问题。

图5：Si1145环境光模块已针对低功耗操作进行了优化，可作为接近传感器，可通过太阳能电池阵列供电并连接作为主机控制器的无线收发器。

该器件的电源电压为1.71至3.6 V，因此使用太阳能电池阵列作为光源是没有问题的。 9μA的平均电流也完全在阵列提供的功率范围内，并且是设计的关键考虑因素。通过在180 mA时每800 ms脉冲LED25.6μs，待机电流低于500 nA，可以保持较低的平均电流。唤醒触发可以是内部或外部，该设备包括一个内置电压监控器和上电复位控制器，以进一步支持太阳能电池阵列的使用，并作为控制器链接到无线收发器，如图5.

支持来自能量收集源的不同输入功率，每个输出的LED电流可独立编程，从几毫安到几百。这使得设计人员能够优化接近检测性能的设计，或者通过更小的太阳能电池实现动态节能。另外，这允许主机一旦物体进入接近球体就减小LED电流，并且仍然可以在较低的电流设置下跟踪物体。

所有这些低功耗模式对于支持接近传感器的操作及其与无线模块的集成至关重要，两者均由太阳能电池阵列供电。

结论

在过去几年中，太阳能电池板和其他能量收集技术的效率发生了巨大变化，以提供系统设计人员所需的1.8 V至3 V电源。由于传感器和控制器的功耗也在下降，并且设备制造商更加关注芯片的峰值和平均电流消耗，因此从家庭中的能源为家庭中的智能设备供电的能力已经变得切实可行命题，甚至开关的动能提供足够的功率。

通过关注设计的总体电流要求，现在可以调整太阳能电池阵列的大小，以提供电流和电压，使传感器能够与无线收发器耦合并放置在整个家庭中，而无需担心更换电池或供电。