如何利用能源收获来缓解智能家居的安装挑战?
在智能家居中，有许多不同的方式利用环境中的能量来给传感器供电。太阳能既可以在户外收获，也可以从室内采光中获取。热能发电机可以为散热器和窗户上的执行器提供温差，甚至可以从开关的运动中获得少量的能量。通过这种方式获取能量，传感器和执行器节点可以被放置在家中的任何位置，而不必担心获得主电源或更换电池。这对那些可以轻松添加连接到现有无线网络的传感器的房主产生了更强烈的吸引力。
最发达的方法之一是利用室内的环境照明，光线充足的房间有大约400勒克斯照明，在阴影中下降到100到200勒克斯。这与室外照明的1万到10万勒克斯相比。生成的电量取决于数组的大小，因此可以在无线节点的大小和该数组所能满足的电源需求之间进行平衡。
阿莫顿太阳能电池阵列图像。
图1:阿莫顿太阳能电池阵列使用无定形硅和玻璃或塑料衬底（图片来源：凯利讯半导体）。
松下的Amorton技术(如图1所示)使用非晶硅，这样太阳能转换电池可以在制造过程中连接在一起，从而产生所需的输出电压。这使得阵列能够支持从1.5 V到3.0 V的一系列输出电压，从而为无线发射机和传感器供电。
| 模型 | 典型的操作特征(初始) | 外形尺寸(毫米) | 重量(克) | |
| fl - 200勒克斯 | FL-50lux(参考价值) | |||
| AM-1456 | 1.5 V- 5.3 μA | 1.4 V- 1.30 μA | 25.0 X 10.0 | 0.7 |
| AM-1411 | 1.5 V- 8.0 μA | 1.4 V- 2.00 μA | 29.6 X 11.8 | 1.0 |
| AM-1437 | 1.5 V- 8.0 μA | 1.4 V- 2.00 μA | 29.6 X 11.8 | 1.0 |
| AM-1407 | 1.5 V- 11.5 μA | 1.4 V- 2.85 μA | 38.0 X 12.5 | 1.3 |
| AM-1417 | 1.5 V- 12.5 μA | 1.4 V- 3.10 μA | 35.0 X 13.9 | 1.3 |
| AM-1424 | 1.5 V- 20.0 μA | 1.4 V- 5.00 μA | 53.0 X 13.8 | 2.0 |
| AM-1454 | 1.5 V- 31.0 μA | 1.4 V- 7.75 μA | 41.6 X 26.3 | 3.0 |
| AM-1513 | 1.8 V- 15.0 μA | 1.6 V- 3.75 μA | 55.0 X 13.5 | 2.0 |
| AM-1805 | 3.0 V- 15.5 μA | 2.6 V- 3.85 μA | 55.0 X 20.0 | 3.0 |
| AM-1801 | 3.0 V- 18.5 μA | 2.6 V- 4.60 μA | 53.0 X 25.0 | 3.6 |
| AM-1815 | 3.0 V- 42.0 μA | 2.6 V- 10.50 μA | 58.1 X 48.6 | 7.8 |
| AM-1816 | 3.0 V- 84.0 μA | 2.6 V- 21.00 μA | 96.7 X 56.7 | 15.6 |
图2:从松下公司生产的不同尺寸的Amorton太阳能电池阵列可以与智能传感器或执行器的电压和电流要求相匹配。
作为一个结果,一个Amorton太阳能阵列测量55.0×20.0毫米生成3 V的输出与当前15.5µA 200勒克斯,如图2中的表。这足以使一个双向链路从一个低功率收发器，如EnOcean的tcm300连接到一个设备，例如一个接近的安全传感器。使数组小至29.6 x 11.8毫米8.0生成μA 8.0 V电力单向链接应用程序如二氧化碳监测仪,它只需要发送一个简单的数据电报如果传感器超出预设范围。
STM的发射电流为24 mA，因此，电容器被用来为模块和任何传感器建立足够的电源。如图3所示，发射模块也充当二氧化碳传感器的接口。
来自EnOcean的STM300无线电收发机示意图。
图3:将一个太阳能阵列与一个来自EnOcean的STM300收发器和一个用于智能家居的无线二氧化碳监测仪的二氧化碳传感器相结合。
在苏格兰的气体传感解决方案等公司的新设计的二氧化碳监测仪采用中红外光源和探测技术，利用新光学技术将电力消耗降低到3.5 mA，使其能够通过能量采集源进行供电。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秒内进行快速预热，以便在使用前可以将显示器供电，从而降低电力需求。
二氧化碳传感器面临的挑战之一是它随时间漂移。采用双通道方法，一个通道测量二氧化碳浓度，另一个通道测量传感器信号强度。这一校准可以每天处理，以确保传感器是准确的，并且这可以安排在足够的电力从电容上建立，并定时以避免任何传输，这也将消耗电源。
这样的传感器可以自动进行自我校正，在完全黑暗的情况下，可以在没有电池的情况下运行长达16小时。采样率根据光的水平自动变化(每小时9到2个样本)，或者可以在10、15或30分钟内固定。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运行大约10年。
甚至有可能收获由一个摇杆开关产生的能量，例如来自EnOcean的PTM200。在这种情况下,来自一个内置的电动能源换能器驱动由一个1.8毫米,可外推的模块由一个适当的按钮或开关向左或向右摇杆(图4),这可以用于固定在墙上的平面摇臂开关以及手持遥控器和4个按钮,不需要电池。
EnOcean PTM200摇臂开关图像。
图4:PTM200摇杆开关产生足够的能量，从开关移动到发送无线信息（图片来源：凯利讯半导体）。
当弓被推下时，7n的力产生足够的电流，使射频电报与模块的32位ID传输。释放弓会产生不同的电报数据，所以每一份PTM电报都包含了弓被按下或被释放的信息，以及所花的时间，这样就可以很容易地检测到“短”和“长”操作。这使得rockers可以被用于诸如调光控制等应用程序。
这也使得开关可以很容易地安装，而不用担心acdc或DC-DC转换器从电源线上的灯本身，并且允许远程控制独立于任何电池，这对任何家庭系统都是一个巨大的优势。
能量采集允许将其他传感器(例如接近探测器)集成到安全系统中。来自硅实验室的环境光模块有一个集成的单红外LED，两个额外的LED驱动器输出，一个I2C数字接口，以及可编程事件中断输出作为一个近距离探测器。该模块将LED和探测器集成到单个芯片中，以减少光源与接收信号之间的干扰。这是由光电二极管响应和相关联的数字转换电路提供的，它对人造光的闪烁和自然光线的颤振提供了免疫，这可能是近距离传感器的问题。
硅实验室Si1145环境光模块图。
图5:Si1145环境光模块已经被优化为低功率操作，作为一种接近传感器，可以由太阳能电池阵列供电，并与无线收发器相连作为主机控制器。
该设备的电源电压为1.71至3.6 V，因此使用太阳能电池阵列是没有问题的。9的平均电流µA也在权力交付的数组和设计是一个重要的考虑因素。这个平均电流保持低脉动LED 25.6µs每800 180 mA,女士,待机电流低于500 nA。唤醒的触发器可以是内部的或外部的，并且该设备包括一个内置的电压供应监视器和电源复位控制器，以进一步支持使用太阳能阵列和连接到无线收发器作为控制器，如图5所示。
从能量采集源中支持不同的输入功率，每个输出的LED电流可以独立地从几毫安到数百毫安。这使得设计人员可以优化设计的接近性检测性能，或使用较小的太阳能电池的动态节能。此外，这允许主机在对象进入邻近球体时减少LED电流，并且在较低的当前设置中仍然可以跟踪对象。
所有这些低功耗的模式对于支持近距离传感器的运行以及它与无线模块的集成都至关重要，两者都由太阳能阵列供电。
结论
太阳能电池阵列和其他能量收集技术的效率在过去几年里有了巨大的发展，为系统设计者提供了1.8 V到3 V的供给。能耗的传感器和控制器也有所下降,和设备制造商更加关注消费峰值和平均电流的芯片,所以家里的电力智能设备能力的能源环境问题已成为一个实际命题,即使一个开关的动能提供足够的电力。
通过关注设计的整体需求，太阳能电池阵列现在可以提供电流和电压，使传感器能够与无线收发器结合，并放置在整个家里，而不用担心更换电池或供电。