太陽能電池為傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設備提供源源不絕的電力

太陽能電池為傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設備提供源源不絕的電力

在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應用中，都需要廣泛地布建各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設備，而這些設備若采用一般電池供電，便會有更換電池的問題，若能夠采用太陽能電池供電，便可以省去更換電池的麻煩，使其實用性大幅提高。本文將為您介紹太陽能電池的發(fā)展，以及由安森美（onsemi）所推出的太陽能電池多傳感器平臺的功能與特色。

太陽能電池技術發(fā)展快速

太陽能發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，其發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，因此不會對環(huán)境造成污染，是當前最受歡迎的可再生能源發(fā)電方式之一。太陽能電池（solar cell）則是一種將太陽光通過光生伏打效應轉(zhuǎn)成電能的設備，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定照度條件的光照度，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。

簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收0.4μm～1.1μm波長（針對硅晶）的太陽光，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。由于太陽電池產(chǎn)生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直／交流轉(zhuǎn)換器，換成交流電，才能供電至家庭用電或工業(yè)用電。

太陽能電池在消費性商品上大多有充電上的問題，過去一般的充電對象采用鎳氫或鎳鎘干電池，但是鎳氫干電池無法抗高溫，鎳鎘干電池有環(huán)保污染的問題。目前超級電容發(fā)展快速，容量超大，面積反而縮小，加上價格低廉，因此有部份太陽能產(chǎn)品開始改采用超級電容為充電對象，因而改善了太陽能充電的許多問題。

太陽能電池解決設備的供電問題

在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應用中，得利用各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備，來進行環(huán)境數(shù)據(jù)的搜集與傳送，這些設備通常得利用電池或是市電進行供電，這對布建這些設備時帶來不少困擾，畢竟這些設備可能得布建在市電不易到達的戶外，若采用一般電池供電，就算設備極為省電，仍終有電池電量耗盡的時候，此時必須耗費人力與時間來進行電池更換工作，這對這些設備布建的實用性，帶來相當大的挑戰(zhàn)。

太陽能電池則將可解決這些傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設備的供電問題，只需要太陽能板可以接收到陽光，便可以進行光電轉(zhuǎn)換，并將多余的電力儲存在電池之中，以便在夜間持續(xù)給設備供電。如此一來，這些設備便不再有供電上的問題，將可大幅節(jié)省智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應用的建置成本。

無需電池的太陽能電池多傳感器平臺

針對太陽能電池應用，安森美推出了RSL10太陽能電池多傳感器平臺（RSL10-SOLARSENS-GEVK），這是一個可用于智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0垂直領域的無電池物聯(lián)網(wǎng)應用的綜合開發(fā)平臺，是一套完整的低成本解決方案，可用于開發(fā)使用收集太陽能自供電的傳感器節(jié)點。它是基于RSL10 SIP（System?in?Package）這套業(yè)界功耗最低的Bluetooth 5無線電，RSL10太陽能電池多傳感器平臺支持無需任何電池，便可以連續(xù)BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗藍牙）來傳輸傳感器信息，這個完全集成的平臺具有多個用于環(huán)境和運動感應的智能傳感器，包括一個超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器（NCP170）和一個用于太陽能電池的2端口連接器，還包括一個低重量、薄型47 μF存儲電容器，以及一個編程和調(diào)試接口，和一個連接的太陽能電池。

由于該平臺可從低電流源獲取能量，因此在運行和待機期間盡量減少整個系統(tǒng)的泄漏將非常重要，與其他節(jié)能器件一起，電路板上的超低靜態(tài)電流LDO（NCP170）可顯著減少泄漏，在待機模式下功耗為55 nw，Rx為10 mW，Tx為0 dbm，可支持Beacon（信標）和遙測傳輸，并可使用帶有Arm Cortex調(diào)試連接器（10針）適配器的SEGGER J-Link進行完全重新編程，具有超低泄漏、自適應占空比（傳輸能量可用性的自我檢測），以及雙太陽能電池接口（通孔焊線或ZIF接口）。

RSL10太陽能電池多傳感器平臺搭配多款超低功耗智能傳感器，包括具有寬溫度范圍（-40至125℃）的低電壓、高精度溫度傳感器（NCT203），以及組合式數(shù)字濕度、壓力和溫度傳感器（BME280），還有具有集成喚醒和睡眠功能的智能3軸超低功耗加速度計（BMA400），可預刷交織的Beacon固件，包括Eddystone TLM Beacon，支持廣播存儲電容器電壓電平、溫度、自上電以來的時間和自上電以來的廣告數(shù)據(jù)包，可兼容BLE Scanner應用程序（iOS或Android），也可支持自定義環(huán)境服務Beacon，支持廣播溫度、濕度和壓力，還在B-IDK CMSIS-Pack中提供了軟件庫和示例，可支持廣泛的照明條件（人造光或太陽光，低至180勒克斯）。

該板由太陽能電池供電，默認使用的太陽能電池是Panasonic Amorton AM?1522，其典型工作電壓為3 V。該電路由3 V鉗位保護，工作域為1.6 V至2.65 V，當?shù)陀?.6 V時不允許傳輸，器件正在收集能量；當電壓高于2.65 V時，器件開始運行，并將能量緩沖耗盡至1.6 V。

RSL10太陽能電池多傳感器平臺可廣泛地應用于智能家居／建筑、環(huán)境傳感（加熱／冷卻、空氣質(zhì)量）、入侵檢測、環(huán)境和氣候控制、工業(yè)4.0／智慧城市、工人安全和跌倒檢測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、煙霧探測、移動個人護理、集成／便攜式傳感器、智能安全頭盔（自行車、摩托車）等領域。

多款低功耗器件與開發(fā)工具

構建開發(fā)平臺

RSL10太陽能電池多傳感器平臺采用多款重要的器件，包括由安森美推出的RSL10無線射頻收發(fā)器是一款無線電SoC，支持Bluetooth 5.2認證，與SDK 3.7，RSL10可為無線應用帶來超低功耗BLE，支持高級無線功能，同時優(yōu)化系統(tǒng)尺寸和電池壽命。高度集成的無線電SoC采用雙核架構和2.4 GHz收發(fā)器，可靈活支持BLE和2.4 GHz自定義協(xié)議。RSL10的軟件開發(fā)套件（SDK）可通過利用來自Blinky的方便用于抽象、驅(qū)動程序和示例應用程序，來實現(xiàn)超低功耗BLE應用的快速開發(fā)，以完成BLE外圍設備，以及介于兩者之間的所需工具。

其SDK的主要功能包括基于Eclipse的免費onsemi IDE，以及對Keil μVision和IAR Embedded Work Bench的支持，具有完整的BLE協(xié)議棧，并帶有Android和iOS應用程序的FOTA（無線固件），與支持FreeRTOS。

在智能傳感器方面，包括Bosch Sensortec的BMA400三軸加速度傳感器是第一款真正的超低功耗加速度傳感器。因此，BMA400特別適用于需要持久電池壽命的可穿戴設備。此外，它還是智能家居應用的理想解決方案，例如智能室內(nèi)氣候系統(tǒng)和智能家居安全系統(tǒng)。通過區(qū)分危急情況和錯誤信號，新的加速度傳感器可避免錯誤警報。

來自Bosch Sensortec的BME280則是一款可測量相對濕度、大氣壓力和環(huán)境溫度的濕度傳感器，是專為尺寸和低功耗是關鍵設計參數(shù)的移動應用和可穿戴設備而開發(fā)。該器件結合了高線性度和高精度傳感器，非常適合低電流消耗、長期穩(wěn)定性和高EMC穩(wěn)固性。該濕度傳感器可提供極快的響應時間，因此支持新興應用的性能要求，例如情境感知和在寬溫度范圍內(nèi)提供高精度感測。

來自安森美的NCT203溫度傳感器則是一款數(shù)字溫度計和低溫／超溫報警器，旨在用于需要低功耗和尺寸的熱管理系統(tǒng)。NCT203可在1.4 V至2.75 V的電源范圍內(nèi)工作，使其可用于包括低功率設備在內(nèi)的廣泛應用。

安森美的NCP170線性穩(wěn)壓器（LDO）系列CMOS低壓差穩(wěn)壓器，是專為需要超低靜態(tài)電流的便攜式電池供電應用而設計。典型值的500 nA超低功耗，可確保較長的電池壽命，動態(tài)瞬態(tài)升壓功能可改善無線通信應用的設備瞬態(tài)響應。該器件采用小型1 × 1 mm xDFN4、TSOP5和SOT-563封裝。

結語

近年來，太陽能電池的發(fā)展速度越來越快，充電的速度越來越快，壽命越來越長，充電溫度范圍更廣，并可減少太陽能電池用量（可低壓充電），使其實用性大幅提高。本文介紹的安森美RSL10太陽能電池多傳感器平臺，搭配太陽能電池，將可為各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設備提供源源不絕的電力，解決智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應用的設備供電問題，其市場與應用將極具發(fā)展空間，值得有興趣的朋友進一步了解。

審核編輯 ：李倩