構(gòu)建一個(gè)從環(huán)境中收集能量的Arduino系統(tǒng)提供了大量的布線自由，但需要密切關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用來(lái)自環(huán)境和無(wú)線鏈路的電源可以將電路板從任何布線中釋放出來(lái)，并為放置設(shè)備提供了極大的靈活性。

Arduino是一個(gè)開(kāi)源電子原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，專門針對(duì)接收傳感器輸入的業(yè)余愛(ài)好者建筑系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。這特別適用于能量收集設(shè)計(jì)，因此傳感器可以放置在正確的位置，而不必?fù)?dān)心電源和信號(hào)線。

它基于靈活，易用的硬件和軟件，適用于設(shè)計(jì)師，業(yè)余愛(ài)好者以及任何對(duì)創(chuàng)建交互式環(huán)境感興趣的人。然而，結(jié)果，該裝置沒(méi)有針對(duì)低功率進(jìn)行優(yōu)化，并且在使用能量收集方法時(shí)需要克服一些挑戰(zhàn)。

Arduino Nano板是一款小巧，完整的面包板友好型電路板，基于Armeino Nano 3.0的ATmega328處理器或Arduino Nano 2.x系列的ATmega168處理器。它只缺少直流電源插孔，可以使用Mini-B USB電纜而不是標(biāo)準(zhǔn)電纜。 Nano是由Gravitech設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。 16 MHz處理器的建議輸入電壓為7-12V，每個(gè)引腳有14個(gè)數(shù)字I/O引腳，每個(gè)引腳的直流電流為40 mA。 ATmega168版本中有16 KB閃存，ATmega328中有32 KB閃存，其中2 KB由引導(dǎo)加載程序使用。同樣，ATmega168有1 KB的SRAM和512字節(jié)的EEPROM，帶有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的價(jià)值在于業(yè)余愛(ài)好者開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件以及硬件的靈活性。制造商提供電路布局，并且很容易構(gòu)建附加卡或屏蔽，以添加傳感器或通信功能。

圖1：Arduino Nano板。

從能量收集源運(yùn)行這樣的電路板有幾個(gè)問(wèn)題。必須仔細(xì)考慮總功率預(yù)算，但通過(guò)輪詢輸入和數(shù)據(jù)傳輸，可擴(kuò)展的能源（如太陽(yáng)能電池板）和充足的電池備份，可以對(duì)其進(jìn)行管理。

另一個(gè)問(wèn)題是從電池到電路板的供電。這需要一些復(fù)雜的電源管理器件來(lái)處理Arduino電路板所需的7至12 V的較高電壓以及能量收集源中固有的較低電壓和電流。

功率預(yù)算

設(shè)計(jì)的功率預(yù)算完全取決于應(yīng)用。 14個(gè)引腳中的每一個(gè)都支持5 V的40 mA DC電流，對(duì)于各種傳感器而言，潛在功耗超過(guò)2.8 W，無(wú)需添加無(wú)線鏈路。能量收集源難以支持。但是，并非所有線路都會(huì)一直處于活動(dòng)狀態(tài) - 事實(shí)上，許多線路幾乎不會(huì)被使用。因此，電路板的使用情況對(duì)于確定峰值功率要求并將其映射到能源和電池至關(guān)重要。

通過(guò)輪詢可以進(jìn)一步降低功率。對(duì)于可能每秒輪詢一次的傳感器，以及每5秒激活一次的無(wú)線鏈路，當(dāng)前的要求會(huì)大大降低，并且可以通過(guò)能量收集源更輕松地滿足。

Arduino軟件中還有幾種省電模式，由于這是開(kāi)源的，因此不斷出現(xiàn)新的發(fā)展。使用看門狗和休眠功能使微控制器芯片在周期之間進(jìn)入休眠模式可以將電池壽命從4天延長(zhǎng)到3年以上，這表明能量收集可以實(shí)現(xiàn)更低的功率預(yù)算。

這可以使用Arduino開(kāi)源編程語(yǔ)言在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。這基于Wiring語(yǔ)言，它具有與C ++相同的語(yǔ)法和庫(kù)，但具有簡(jiǎn)化和修改。為了使語(yǔ)言易于使用，Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境基于基于Java的Processing開(kāi)源IDE。開(kāi)發(fā)可以在PC或Mac上作為主機(jī)在Windows，MacOS-X或Linux下完成，也可以在主板上完成。

電源

針對(duì)Arduino電路板相對(duì)較高功率需求的最有效的能量收集源是太陽(yáng)能。這可以在室內(nèi)和室內(nèi)提供大量電力來(lái)驅(qū)動(dòng)電路板。

Sanyo Energy一直處于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池的最前沿，其重點(diǎn)是采用Amorton技術(shù)的柔性電池。這些可以組合在一起以提供電壓和電流要求，并且輕且靈活，足以在業(yè)余愛(ài)好者設(shè)計(jì)中使用。

Amorton是一種集成的非晶硅太陽(yáng)能電池，它使用硅烷（SiH4）作為其源氣體，并使用等離子體氣相沉積工藝制造。在玻璃襯底上連續(xù)形成三個(gè)非晶硅層--p層，i層和n層，并且該p-i-n結(jié)對(duì)應(yīng)于晶體硅太陽(yáng)能電池的p/n結(jié)。這樣就形成了一個(gè)結(jié)點(diǎn)陣列，可以為各種功率輸出獲得任何所需的電壓。

與晶體硅不同，非晶硅具有不規(guī)則的原子排列，允許更多的光被吸收，使得電池在給定的功率輸出下更薄。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的超薄非晶硅薄膜并用于發(fā)電。

圖2：三洋的Amorton太陽(yáng)能電池薄膜。

電源管理

電源管理是利用能量收集來(lái)驅(qū)動(dòng)Arduino電路板的關(guān)鍵。 EnerChip的電源管理器件使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，并使用能量收集傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載阻抗匹配。它還為電路板上的AVR微控制器提供通信接口，并為輸入的能量和存儲(chǔ)能量水平提供能量狀態(tài)指示器。

CBC915通過(guò)動(dòng)態(tài)匹配其輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)有效地將來(lái)自外部功率傳感器的能量轉(zhuǎn)換為電路板可用的電壓和電流的功能。在阻抗匹配時(shí)，將從換能器提取最大功率。在能量收集應(yīng)用中有許多不同類型的功率傳感器;它們大致分為兩類。由于PV電池的類似二極管的電流 - 電壓（IV）特性，光伏（PV）電池是獨(dú)特的并且因此屬于它們自己的類別。 PV電池阻抗隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。隨著光強(qiáng)度增加，PV電池阻抗降低。例如，30cm2雙串聯(lián)非晶硅電池陣列的典型阻抗在1000 Lux時(shí)為1kΩ，在200 Lux時(shí)為5kΩ。

因此，將最大功率從光伏電池傳輸?shù)紺BC915能量處理器升壓轉(zhuǎn)換器需要升壓轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗響應(yīng)光強(qiáng)度的變化而動(dòng)態(tài)變化，光強(qiáng)度的變化來(lái)自光伏電池阻抗的變化。

當(dāng)呈現(xiàn)匹配阻抗時(shí)，高效PV電池的輸出電壓在變化的入射光強(qiáng)度下相當(dāng)恒定。相反，效率較低的電壓的峰值功率點(diǎn)處的電壓將隨著光強(qiáng)度的變化而變化。 CBC915調(diào)整其輸入阻抗，以匹配任何類型或質(zhì)量的PV電池的輸出特性。 CBC915設(shè)計(jì)用于1系列至8系列電池的PV電池陣列，相當(dāng)于阻抗匹配約0.5 V至4 V.在大多數(shù)情況下，使用具有兩個(gè)串聯(lián)電池的PV陣列是最節(jié)能的。具有較少單元的串聯(lián)單元配置具有不會(huì)由于陰影而損失太多效率并且每單位面積具有更高效率的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殛嚵兄械拈g隙較少而不會(huì)有助于能量轉(zhuǎn)換。

圖3：來(lái)自Cymbet的EnerChip CBC915。

另一種替代方案是EH4295微功率升壓低壓增壓器。這是一個(gè)自供電的升壓模塊，可將來(lái)自太陽(yáng)能電池的低直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為適用于Arduino板的更高交流或直流電壓輸出。它不需要單獨(dú)的電源來(lái)運(yùn)行，它直接從低輸入電壓能量采集源獲得電源，從低至2μW開(kāi)始，這使得板載自啟動(dòng)振蕩器成為可能。

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圖4：EH4295升級(jí)Advanced Linear Devices的低壓增壓器。

EH4295的標(biāo)稱輸入阻抗為950Ω，適用于許多不同的能量產(chǎn)生源，也可用于涓流充電應(yīng)用，如電池充電器或超級(jí)充電器，包括能量輸入沒(méi)有得到很好的控制或調(diào)節(jié)。

EH4295自啟動(dòng)振蕩器以約400 Hz的固有頻率振蕩，這取決于源阻抗，源電壓，輸出負(fù)載和器件中的諧振元件。

核心是MOSFET陣列。耦合到專用MOSFET陣列的板載變壓器構(gòu)成了自啟動(dòng)振蕩電路的核心。振蕩器波形耦合到模塊內(nèi)部的變壓器，該變壓器提供AC輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)的幅度受輸出負(fù)載的限制。典型的輸出負(fù)載是全波整流器，可以處理20 V以上的AC輸入和輸入功率，受EH4295輸出的限制。

當(dāng)與EH4295耦合時(shí)，能量發(fā)生器源內(nèi)部阻抗和EH4295輸入阻抗形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，能量發(fā)生器源開(kāi)始向EH4295供電。一旦達(dá)到內(nèi)部振蕩閾值功率水平，振蕩開(kāi)始，并開(kāi)始能量傳遞。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型號(hào)和單位之間會(huì)有所不同。因此，EH4295非常適用于最低工作功率范圍非常低的高效率，低功耗應(yīng)用，以及使用其他方式無(wú)法捕獲和存儲(chǔ)在電池組或電容器存儲(chǔ)庫(kù)中的其他方式。

隨著輸入能量在能量發(fā)生器源處積聚，傳輸?shù)墓β柿恳蚕鄳?yīng)地發(fā)生變化。 EH4295的最大額定功率限制了其功率處理能力，但它確實(shí)允許外部輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器在更高的功率點(diǎn)接管。板載振蕩器產(chǎn)生的交流輸出使EH4295能夠支持其他開(kāi)關(guān)電路在更高的電壓和功率水平下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

對(duì)于許多能量收集應(yīng)用，EH4295與EH300系列能量收集模塊相結(jié)合，在與低壓，低能量發(fā)電源配合使用時(shí)提供簡(jiǎn)單而有效的解決方案，該發(fā)電源僅提供零星的間歇輸入功率。組合的EH4295和EH300系列模塊可以從零輸出功率上升到可用水平，用于操作許多遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)和需要1.8 V至6.8 V范圍內(nèi)直流電源電壓的電路。升壓的AC或DC輸出電壓電平也可用于產(chǎn)生參考DC輸出，以驅(qū)動(dòng)或啟動(dòng)其他電子電路，例如需要超過(guò)1.0 V的DC電源電壓才能工作的外部升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

集成電池

EnerChip CC CBC3105集成了5μAh固態(tài)電池，可在很寬的電源范圍內(nèi)充電。通過(guò)集成電池，它為需要電源橋接和/或二次電源的系統(tǒng)提供備用能量存儲(chǔ)和電源管理。單個(gè)EnerChip CC最多可以為10個(gè)并行連接的EnerChip充電。

在正常操作期間，EnerChip CC使用內(nèi)部電荷泵在2.5 V至5.5 V范圍內(nèi)為受控電壓充電.ENABLE引腳允許使用外部控制線激活和停用電荷泵，以便最大限度地減少電流消耗，并充分利用EnerChip的快速充電時(shí)間。

圖5：EnerChip CBC3105的高電壓模式，帶有固態(tài)電池，為微控制器提供5V電壓。

EnerChip CC可以使用各種電源供電，例如主電源或非充電電池。當(dāng)ENABLE引腳置為高電平時(shí)，電荷泵處于活動(dòng)狀態(tài)并為集成電池充電。 EnerChip CC將在10分鐘內(nèi)收取80％的費(fèi)用。由于快速充電，建議一旦EnerChip CC充滿電，用戶通過(guò)強(qiáng)制降低ENABLE引腳來(lái)降低功耗。從MCU生成的信號(hào)可用于啟用和禁用EnerChip CC。

結(jié)論

為Arduino板提供環(huán)境能源并非易事，但通過(guò)太陽(yáng)能電池組合為可充電存儲(chǔ)單元和創(chuàng)新的電源管理設(shè)備供電，可以為電路板提供正確的電流和電壓。只要仔細(xì)分析功率預(yù)算，正確數(shù)量的太陽(yáng)能電池就應(yīng)該提供所需的功率，為Arduino系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供高度的靈活性。