【導(dǎo)讀】在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用中，都需要廣泛地布建各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而這些設(shè)備若采用一般電池供電，便會(huì)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(shí)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(tái)的功能與特色。
太陽能電池技術(shù)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(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是當(dāng)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(yīng)轉(zhuǎn)成電能的設(shè)備，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)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(jiǎn)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(zhǎng)（針對(duì)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(fèi)性商品上大多有充電上的問題，過去一般的充電對(duì)象采用鎳氫或鎳鎘干電池，但是鎳氫干電池?zé)o法抗高溫，鎳鎘干電池有環(huán)保污染的問題。目前超級(jí)電容發(fā)展快速，容量超大，面積反而縮小，加上價(jià)格低廉，因此有部份太陽能產(chǎn)品開始改采用超級(jí)電容為充電對(duì)象，因而改善了太陽能充電的許多問題。
太陽能電池解決設(shè)備的供電問題
在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用中，得利用各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，來進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的搜集與傳送，這些設(shè)備通常得利用電池或是市電進(jìn)行供電，這對(duì)布建這些設(shè)備時(shí)帶來不少困擾，畢竟這些設(shè)備可能得布建在市電不易到達(dá)的戶外，若采用一般電池供電，就算設(shè)備極為省電，仍終有電池電量耗盡的時(shí)候，此時(shí)必須耗費(fèi)人力與時(shí)間來進(jìn)行電池更換工作，這對(duì)這些設(shè)備布建的實(shí)用性，帶來相當(dāng)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(shè)備的供電問題，只需要太陽能板可以接收到陽光，便可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將多余的電力儲(chǔ)存在電池之中，以便在夜間持續(xù)給設(shè)備供電。如此一來，這些設(shè)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(yīng)用的建置成本。
無需電池的太陽能電池多傳感器平臺(tái)
針對(duì)太陽能電池應(yīng)用，安森美推出了RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)（RSL10-SOLARSENS-GEVK），這是一個(gè)可用于智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0垂直領(lǐng)域的無電池物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的綜合開發(fā)平臺(tái)，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(diǎn)。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(tái)支持無需任何電池，便可以連續(xù)BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗藍(lán)牙）來傳輸傳感器信息，這個(gè)完全集成的平臺(tái)具有多個(gè)用于環(huán)境和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的智能傳感器，包括一個(gè)超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器（NCP170）和一個(gè)用于太陽能電池的2端口連接器，還包括一個(gè)低重量、薄型47 μF存儲(chǔ)電容器，以及一個(gè)編程和調(diào)試接口，和一個(gè)連接的太陽能電池。
由于該平臺(tái)可從低電流源獲取能量，因此在運(yùn)行和待機(jī)期間盡量減少整個(gè)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(jī)模式下功耗為55 nw，Rx為10 mW，Tx為0 dbm，可支持Beacon（信標(biāo)）和遙測(cè)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(jìn)行完全重新編程，具有超低泄漏、自適應(yīng)占空比（傳輸能量可用性的自我檢測(cè)），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(tái)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(jì)（BMA400），可預(yù)刷交織的Beacon固件，包括Eddystone TLM Beacon，支持廣播存儲(chǔ)電容器電壓電平、溫度、自上電以來的時(shí)間和自上電以來的廣告數(shù)據(jù)包，可兼容BLE Scanner應(yīng)用程序（iOS?或Android?），也可支持自定義環(huán)境服務(wù)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(rèn)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(hù)，工作域?yàn)?.6 V至2.65 V，當(dāng)?shù)陀?.6 V時(shí)不允許傳輸，器件正在收集能量；當(dāng)電壓高于2.65 V時(shí)，器件開始運(yùn)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(tái)可廣泛地應(yīng)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(cè)、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(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、煙霧探測(cè)、移動(dòng)個(gè)人護(hù)理、集成／便攜式傳感器、智能安全頭盔（自行車、摩托車）等領(lǐng)域。
多款低功耗器件與開發(fā)工具構(gòu)建開發(fā)平臺(tái)
RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)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(rèn)證，與SDK 3.7，RSL10可為無線應(yīng)用帶來超低功耗BLE，支持高級(jí)無線功能，同時(shí)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(gòu)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(dòng)程序和示例應(yīng)用程序，來實(shí)現(xiàn)超低功耗BLE應(yīng)用的快速開發(fā)，以完成BLE外圍設(shè)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(fèi)onsemi IDE，以及對(duì)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(yīng)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(shè)備。此外，它還是智能家居應(yīng)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(cuò)誤信號(hào)，新的加速度傳感器可避免錯(cuò)誤警報(bào)。
來自Bosch Sensortec的BME280則是一款可測(cè)量相對(duì)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(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的移動(dòng)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備而開發(fā)。該器件結(jié)合了高線性度和高精度傳感器，非常適合低電流消耗、長(zhǎng)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(yīng)時(shí)間，因此支持新興應(yīng)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(cè)。
來自安森美的NCT203溫度傳感器則是一款數(shù)字溫度計(jì)和低溫／超溫報(bào)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(shè)備在內(nèi)的廣泛應(yīng)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(yīng)用而設(shè)計(jì)。典型值的500 nA超低功耗，可確保較長(zhǎng)的電池壽命，動(dòng)態(tài)瞬態(tài)升壓功能可改善無線通信應(yīng)用的設(shè)備瞬態(tài)響應(yīng)。該器件采用小型1 × 1 mm xDFN4、TSOP5和SOT-563封裝。
結(jié)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(zhǎng)，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(shí)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(tái)，搭配太陽能電池，將可為各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)用的設(shè)備供電問題，其市場(chǎng)與應(yīng)用將極具發(fā)展空間，值得有興趣的朋友進(jìn)一步了解。
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