能量收集的真正關(guān)鍵是擁有一個(gè)功耗足夠低的系統(tǒng)，可以使用這些替代來源之一進(jìn)行操作。這句話似乎很明顯，但假設(shè)你希望該系統(tǒng)執(zhí)行有意義的操作，它比聽起來要困難得多。在大多數(shù)情況下，我們談?wù)摰氖呛镣呋蚋偷墓β?，這可能足以驅(qū)動(dòng)最新的超低功耗MCU之一。

能夠完成這一壯舉的供應(yīng)商之一是EnOcean，其STM 550自供電傳感器。它使用小型太陽能電池從環(huán)境光中提取能量，但如果移除太陽能光源，STM 550仍包含備用電池。

從開關(guān)到傳感器

EnOcean以生產(chǎn)由能量收集供電的開關(guān)而聞名。在對這些開關(guān)進(jìn)行內(nèi)部審查期間，有人問到，這個(gè)相對簡單的開關(guān)是否可以用作更復(fù)雜的多傳感器產(chǎn)品的基礎(chǔ)。因此，STM 550被構(gòu)思出來，一種足夠小的設(shè)備，可以不顯眼地掛在墻上。從規(guī)格到原型大約需要18個(gè)月。

多傳感器可以收集五種不同形式的數(shù)據(jù)：

溫度

濕度

光

加速度

磁性接觸（用于確定門或窗是打開還是關(guān)閉）

傳感器最大的組件是太陽能電池，占據(jù)了一側(cè)的大部分表面積，約占一平方英寸。該傳感器可實(shí)現(xiàn)足夠的能量，在室內(nèi)照明條件下為整個(gè)設(shè)備供電，包括傳感、處理信息以及將其傳輸?shù)酵獠吭础?/p>

也就是說，系統(tǒng)的平均功耗小于3 μA。在正常運(yùn)行期間，太陽能電池為微小的鋰電池充電，為系統(tǒng)供電。出現(xiàn)在PCB背面的電池可以容納足夠的電量來運(yùn)行傳感器大約四天，這應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過必要的。EnOcean已經(jīng)打開了門，可以在沒有光源的情況下插入另一個(gè)電池，以獲得更長的運(yùn)行時(shí)間。

磁性觸點(diǎn)（側(cè)面的玻璃狀元件）讀取將連接到門或窗的磁鐵。如果磁鐵存在，則門/窗關(guān)閉，反之亦然。建筑管理員喜歡將此傳感器連接到 HVAC 系統(tǒng)。如果門或窗打開，HVAC 將關(guān)閉以節(jié)省能源。

“一個(gè)非常特別的特點(diǎn)是微小的加速度/振動(dòng)傳感器，可以檢測許多不同的條件，”EnOcean副總裁Matthias Kassner說。“該設(shè)備的主要產(chǎn)業(yè)是樓宇自動(dòng)化，其中許多建筑物都使用舊設(shè)備運(yùn)行。傳感器將知道系統(tǒng)何時(shí)未以典型方式運(yùn)行，例如大型空調(diào)機(jī)組何時(shí)需要維護(hù)。傳感器非常靈敏，可以根據(jù)用戶的振動(dòng)來檢測桌子是否被占用。

兩種無線電選項(xiàng)

提供兩種不同的無線電發(fā)射器，均針對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。它們使用模塊化配置設(shè)計(jì)到設(shè)備中，允許EnOcean根據(jù)客戶需求交換一個(gè)或另一個(gè)，而無需改變設(shè)備的外形尺寸。

一個(gè)是該公司自己的EnOcean無線電，基于在亞千兆赫范圍內(nèi)運(yùn)行的ST設(shè)備。它符合國際 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。這種介質(zhì)適合長距離傳輸，并且受到的干擾較小。第二種選擇是北歐藍(lán)牙無線電，它可以直接連接到基于藍(lán)牙的照明系統(tǒng)或其他端點(diǎn)。

STM 550采用兩個(gè)獨(dú)立的天線設(shè)計(jì)。一個(gè)是亞千兆赫或藍(lán)牙無線電，另一個(gè)是NFC天線，這是必需的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^NFC對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化。換句話說，NFC功能允許用戶配置諸如哪些傳感器正在報(bào)告，發(fā)送更新的頻率，安全設(shè)置和設(shè)備ID等內(nèi)容。使用NFC，用戶可以使用支持NFC的智能手機(jī)進(jìn)行這些調(diào)整，然后進(jìn)行簡單的下載。

大多數(shù)精明的工程師都知道天線設(shè)計(jì)有多困難，而EnOcean工程團(tuán)隊(duì)完全在內(nèi)部處理了這一部分。在很小的外形尺寸中，他們必須擠壓兩個(gè)天線，并避免頂部金屬太陽能電池和背面金屬板的干擾。

根據(jù)Kassner的說法，“這是我們的專業(yè)領(lǐng)域。我們有一個(gè)很大的射頻部門。我們有自己的小型測試室，可以在所有軸上自動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備。但正是微小的外形尺寸才真正使它變得復(fù)雜。

另一個(gè)節(jié)省空間的是所需的少量內(nèi)存，因?yàn)樵O(shè)備上幾乎沒有存儲(chǔ)任何內(nèi)容。它只是感知和傳輸。無需存儲(chǔ)任何內(nèi)容或執(zhí)行任何 Edge 處理有助于降低功耗。如果需要處理，則由下游設(shè)備處理，例如從STM 550接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)。

雖然更大的外形尺寸將允許更大的太陽能電池陣列，但EnOcean工程師并沒有認(rèn)真考慮這一點(diǎn)，因?yàn)樵诿绹炀€底座的輸出功率被調(diào)節(jié)到最大1 dBm，盡管在歐洲高達(dá)10 dBm。更大的外形尺寸也可以簡化天線設(shè)計(jì)，但保持較小的封裝使STM 550非常有吸引力。

其他考慮（和放棄）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括使用Wi-Fi和LoRaWAN。Wi-Fi由于其高功耗而被排除在外。LoRaWAN沒有成功，只是因?yàn)樗皇菆F(tuán)隊(duì)所針對的用例。LoRaWAN不是一種“始終在線”類型的配置;相反，它在需要以低得多的頻率“ping”的應(yīng)用程序中表現(xiàn)出色。

歸根結(jié)底，STM 550代表了令人印象深刻的設(shè)計(jì)。擠壓如此多的功能并通過能量收集進(jìn)行操作是一項(xiàng)工程壯舉。

審核編輯：郭婷