挑战低功耗 | “不要电”的环境监控

zca123

挑战低功耗 | “不要电”的环境监控 [复制链接]

 

    “不要电”当然只是个噱头。准确的说应该是不插电或者不使用外部供电。
    想法来源于可以用一颗葡萄供电的MSP430器件。提出方案如下：

  发这个帖子记录整个实现的过程。

lcofjp

很强大，一定要做出来，让吾等学习学习！

chenzhufly

搞吧 这个还是有点意思的

zca123

   微信上收到eeworld（又或者是TI）的推送信息，介绍BQ25504这颗芯片，能够以几百mV的电压启动能量收集，集成度也很高，使用很方便。是ti“能量收集”家族的长子。于是就有了把能量收集与MSP430_FRAM结合起来的想法。实现从环境中采集微弱的能量并用极低的功耗完成一定的工作，挑战超低功耗。对于测试来说，温度，湿度，气压是影响最大的三个外部因素。对于电子器件和产品的性能测试，都必须是在一定温湿度、气压条件下的测试结果。同时，一段时间的测试，连续几十分钟、几小时、几天，也需要连续的环境参数记录。所以制作一个带记录功能的温湿度，气压检测设备还是有意思的。

wgsxsm

曾经用过类似的IC LTC3105做过一个实验,可惜我用的光电池太小,两个串联的情况下只能达到1mA左右的输出能力
这次TI申请样片活动里有一款BQ25505,我也申请了,有空的时候也利用一下

期待楼主佳作

azhiking

这个确实给力，我觉得做低功耗的环境监控，定时存储数据，然后集中上传才能有效降低功耗，所以个人认为应该加上存储器件

huixianfxt

TI有类似的相关解决方案呢！和你的如出一辙呢。查看详情

zca123

第一个要解决的问题是能量的采集。不能为了“不要电”，而要求使用者每次记录之前都拿着去晒太阳。或者只能在阳光下使用。所以明确使用环境是室内，非太阳直射。上维普平台查有关文献，结果如下。
<室内弱光下光伏电源钟表的电池选择>

室内弱光下光伏电源钟表的电池选择.pdf (224.66 KB, 下载次数: 15)

2014-9-22 13:42 上传

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   此文，首先明确了室内的太阳光是散射光，非直射。散射光主要来自空气 中各种悬浮颗粒的折射和反射 。且波长集中在400nm~600nm。而非晶硅的光谱响应为400nm~700nm，适用于弱光环境。同时还测试了非晶硅太阳能板在不同照度下的输出曲线。小组件非晶硅太阳能板在200Lux的照度下能输出1.5v的电压11μA的电流。这个测试值给了我很大信心。至少说明太阳能板的输出电流能达到几个，甚至十几个μA。μA的量级，与用电器电流消耗量级相差不远了。
室内用太阳能电池.pdf (42.34 KB, 下载次数: 10)

2014-9-22 13:42 上传

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  此文自制了非晶体太阳能电池板，还绘制出了伏安特性曲线。最终得出了温差小，使用时间长的结论。
弱光非晶硅太阳电池的研制.pdf (67.23 KB, 下载次数: 6)

2014-9-22 13:42 上传

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   此文首先分析了非晶体太阳能板对于荧光的吸收效率10倍于晶体硅，适应室内灯光照明应。然后分析了太阳能电池板的等效串联电阻和等效并联电阻。其中等效并联电阻很大程度上影响太阳能电池的漏电。对于弱光情况下，并不能并联得越多越好。
非晶硅太阳电池在弱光条件下的性能分析.pdf (94.66 KB, 下载次数: 7)

2014-9-22 13:42 上传

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   此文也从理论上建立了等效电路模型，测试分析了输出曲线。得出了转算效率达到10+%。同时探讨了实际制作的注意事项。

   以上几篇文章，建立了能够实现的信心。介绍了很多经验，值得学习。
   但是在淘宝上购买非晶体太阳能板的时候，实际情况是，市面上能够买到的太阳能板都是“三无产品”。无指标、无手册，于是我买了2种比较典型的。今天已经快递到了一款，晚上可以测试实际输出功率。

zhoujt

厉害，顶起来。

qiushenghua

azhiking 发表于 2014-9-22 13:56
这个确实给力，我觉得做低功耗的环境监控，定时存储数据，然后集中上传才能有效降低功耗，所以个人认为应该 ...

用64K的FRAM储存数据正好，低功耗+非易失存储器。

zca123

这部分的核心一定是bq25504了。
先上手册：查看详情



芯片是包含了DCDC升压+电池管理的。甚至还包含了MPPT算法。算是非常省事了，同时TI还有验证的demo板
http://www.ti.com/tool/bq25504evm-674#1
设计参考：查看详情


这部分可以很大程度上参考TI的设计来。使用MPPT方案，把临界值设置到开路电压的80%，已获得最大的输出功率。然后利用ML2030电池做备用电池。

ML2030是一颗有几十mAh的3V锂电池，电压范围在2.2~3.2V。如果选择3.7V的锂电池，那么最大电压会达到4.2V，这样供430必须得降压。使用LDO，意味着能量的硬损失，而对于微弱负载电流的DCDC来说，效率都是很低的。而拥有几十mAh的纽扣电池可能是最好的方案了。不需要降压，体积小，直接供电。使用一颗后备电池还可以应付瞬时大电流，而且也能保证夜晚的电力供应。

另一种选择是如同金刚狼板子上的超级电容。但是超级电容漏电流比较严重。μA级的漏电流，基本上就是一个无底洞。所以最终的选择是一颗ML2030.

zca123

用电器包括
1、温湿度传感器和气压传感器：当然，这两颗器件不会采用一直工作的方式，可能三分钟只采集一次，而剩余时间都在sleep。所以唤醒时间只占整个周期的1%不到。而处于sleep模式都是极低功耗的。

si7021
功能：温湿度传感器
供电：1.9~3.6v
电流：湿度转换：150μA
          温度转化：90μA
          待机：0.06μA
指标：+/-3%RHmax
          +/-0.4%℃max

MBP180
功能：气压传感器
供电：1.8~3.6V
电流：高精度模式7μA
         待机：0.1μA
指标：高精度模式0.02hPa（0.17m）

2、实时时钟：之所以需要一颗实时时钟，是希望对温湿度的时间记录的横坐标可以是时间。实时时钟是一直供电的，功耗也是苛刻的。所以选的是pcf8563，供电低至1V。不通讯时只有0.5μA。


3、心率传感器：添加心率传感器只是为了偶尔挥霍一把。同时拓展功能到日常使用。因为温度，湿度，气压这些数据也影响着每个人的生活。压电式需要巧妙的机械结构，这个是无能为力了，只有依靠红外+运放。驱动红外至少是mA量级的电流，所以这个是绝对的耗电巨无霸。

zca123

打了好长一段字，结果不小心按到了backspace，竟然刷到之前的网页，而数据也没有保存，丢失了。
  控制的核心一定是FRAM的MSP430FR5739了，之前想过申请这次低功耗大赛的金刚狼开发板。但是想想还是算了。原因主要是使用现成的开发板只适合于方案验证阶段。而金刚狼板反而会带来种种限制。一方面是电路上的，一方面是尺寸，外形上的。我希望这次能做成一个实实在在的，能够真正带来帮助的可以每天使用的记录仪。所以打算要封装一个外壳。而金刚狼板子就不适合了。而这次的5739也是之前申请的，这次刚好用上。


  显示最好的选择一定是sharp的menory lcd屏了。不同于一般的液晶屏，1不需要额外的驱动芯片，2不刷新不耗电。非常适合，但是这个屏也贵得离谱。
  买了普通的段式液晶屏，可以同时显示三个指标的。但是功耗就高了，详见测试部分。

rfieee

支持楼主

zca123

低功耗通讯包括zigbee等等，但是能够直接与手机或者PC连接的只有wifi、蓝牙、nfc等少数几样。

   wifi：可以直接接入路由器，能够远程访问，互联性最强。但是功耗最可怕，有几十~几百mA。辛辛苦苦攒了一天的电，一通讯就回到解放前。

   蓝牙：BLE是未来手机必有的一个功能，通讯电流十几mA，还能接受。暂时打算用模块，这样可以避免花费太多的精力在通讯上。
   NFC：NFC最大的好处是不需要供电。可以从天线取电。这个特性对于本应用来说再好不过了，可以传输少量数据。天线也很好找，预留此功能。

ti的参考设计（nfc）：
查看详情
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无论如何，通讯是耗电大户，所以需要用负载开关，平时断开供电。

zca123

lcofjp 发表于 2014-9-22 12:50
很强大，一定要做出来，让吾等学习学习！

不要洗刷我

zca123

chenzhufly 发表于 2014-9-22 12:56
搞吧 这个还是有点意思的

谢谢版主

zca123

wgsxsm 发表于 2014-9-22 13:50
曾经用过类似的IC LTC3105做过一个实验,可惜我用的光电池太小,两个串联的情况下只能达到1mA左右的输出能力
...

相比1mA。我选用的太阳能板就更小了，μA级

wgsxsm

zca123 发表于 2014-9-22 15:44
相比1mA。我选用的太阳能板就更小了，μA级

我那个还是在夏天太阳光比较强的情况
你这个是室内光,估计要用好的太阳能接收板

zca123

huixianfxt 发表于 2014-9-22 14:02
TI有类似的相关解决方案呢！和你的如出一辙呢。http://www.ti.com/tool/tida-00100?DCMP=tida00100&HQS=tid ...

这个资料才看到，可以给我更多的参考。