構建一個從環境中收集能量的Arduino系統提供了大量的布線自由，但需要密切關注系統設計。使用來自環境和無線鏈路的電源可以將電路板從任何布線中釋放出來，并為放置設備提供了極大的靈活性。

Arduino是一個開源電子原型設計平臺，專門針對接收傳感器輸入的業余愛好者建筑系統進行了優化。這特別適用于能量收集設計，因此傳感器可以放置在正確的位置，而不必擔心電源和信號線。

它基于靈活，易用的硬件和軟件，適用于設計師，業余愛好者以及任何對創建交互式環境感興趣的人。然而，結果，該裝置沒有針對低功率進行優化，并且在使用能量收集方法時需要克服一些挑戰。

Arduino Nano板是一款小巧，完整的面包板友好型電路板，基于Armeino Nano 3.0的ATmega328處理器或Arduino Nano 2.x系列的ATmega168處理器。它只缺少直流電源插孔，可以使用Mini-B USB電纜而不是標準電纜。 Nano是由Gravitech設計和生產的。 16 MHz處理器的建議輸入電壓為7-12V，每個引腳有14個數字I/O引腳，每個引腳的直流電流為40 mA。 ATmega168版本中有16 KB閃存，ATmega328中有32 KB閃存，其中2 KB由引導加載程序使用。同樣，ATmega168有1 KB的SRAM和512字節的EEPROM，帶有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的價值在于業余愛好者開發的開源軟件以及硬件的靈活性。制造商提供電路布局，并且很容易構建附加卡或屏蔽，以添加傳感器或通信功能。

圖1：Arduino Nano板。

從能量收集源運行這樣的電路板有幾個問題。必須仔細考慮總功率預算，但通過輪詢輸入和數據傳輸，可擴展的能源（如太陽能電池板）和充足的電池備份，可以對其進行管理。

另一個問題是從電池到電路板的供電。這需要一些復雜的電源管理器件來處理Arduino電路板所需的7至12 V的較高電壓以及能量收集源中固有的較低電壓和電流。

功率預算

設計的功率預算完全取決于應用。 14個引腳中的每一個都支持5 V的40 mA DC電流，對于各種傳感器而言，潛在功耗超過2.8 W，無需添加無線鏈路。能量收集源難以支持。但是，并非所有線路都會一直處于活動狀態 - 事實上，許多線路幾乎不會被使用。因此，電路板的使用情況對于確定峰值功率要求并將其映射到能源和電池至關重要。

通過輪詢可以進一步降低功率。對于可能每秒輪詢一次的傳感器，以及每5秒激活一次的無線鏈路，當前的要求會大大降低，并且可以通過能量收集源更輕松地滿足。

Arduino軟件中還有幾種省電模式，由于這是開源的，因此不斷出現新的發展。使用看門狗和休眠功能使微控制器芯片在周期之間進入休眠模式可以將電池壽命從4天延長到3年以上，這表明能量收集可以實現更低的功率預算。

這可以使用Arduino開源編程語言在設備中實現。這基于Wiring語言，它具有與C ++相同的語法和庫，但具有簡化和修改。為了使語言易于使用，Arduino開發環境基于基于Java的Processing開源IDE。開發可以在PC或Mac上作為主機在Windows，MacOS-X或Linux下完成，也可以在主板上完成。

電源

針對Arduino電路板相對較高功率需求的最有效的能量收集源是太陽能。這可以在室內和室內提供大量電力來驅動電路板。

Sanyo Energy一直處于開發太陽能電池的最前沿，其重點是采用Amorton技術的柔性電池。這些可以組合在一起以提供電壓和電流要求，并且輕且靈活，足以在業余愛好者設計中使用。

Amorton是一種集成的非晶硅太陽能電池，它使用硅烷（SiH4）作為其源氣體，并使用等離子體氣相沉積工藝制造。在玻璃襯底上連續形成三個非晶硅層--p層，i層和n層，并且該p-i-n結對應于晶體硅太陽能電池的p/n結。這樣就形成了一個結點陣列，可以為各種功率輸出獲得任何所需的電壓。

與晶體硅不同，非晶硅具有不規則的原子排列，允許更多的光被吸收，使得電池在給定的功率輸出下更薄。這意味著可以生產小于1μm的超薄非晶硅薄膜并用于發電。

圖2：三洋的Amorton太陽能電池薄膜。

電源管理

電源管理是利用能量收集來驅動Arduino電路板的關鍵。 EnerChip的電源管理器件使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法實現高效能量轉換，并使用能量收集傳感器實現系統負載阻抗匹配。它還為電路板上的AVR微控制器提供通信接口，并為輸入的能量和存儲能量水平提供能量狀態指示器。

CBC915通過動態匹配其輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗，實現有效地將來自外部功率傳感器的能量轉換為電路板可用的電壓和電流的功能。在阻抗匹配時，將從換能器提取最大功率。在能量收集應用中有許多不同類型的功率傳感器;它們大致分為兩類。由于PV電池的類似二極管的電流 - 電壓（IV）特性，光伏（PV）電池是獨特的并且因此屬于它們自己的類別。 PV電池阻抗隨入射光強度的變化而變化。隨著光強度增加，PV電池阻抗降低。例如，30cm2雙串聯非晶硅電池陣列的典型阻抗在1000 Lux時為1kΩ，在200 Lux時為5kΩ。

因此，將最大功率從光伏電池傳輸到CBC915能量處理器升壓轉換器需要升壓轉換器的輸入阻抗響應光強度的變化而動態變化，光強度的變化來自光伏電池阻抗的變化。

當呈現匹配阻抗時，高效PV電池的輸出電壓在變化的入射光強度下相當恒定。相反，效率較低的電壓的峰值功率點處的電壓將隨著光強度的變化而變化。 CBC915調整其輸入阻抗，以匹配任何類型或質量的PV電池的輸出特性。 CBC915設計用于1系列至8系列電池的PV電池陣列，相當于阻抗匹配約0.5 V至4 V.在大多數情況下，使用具有兩個串聯電池的PV陣列是最節能的。具有較少單元的串聯單元配置具有不會由于陰影而損失太多效率并且每單位面積具有更高效率的優點，因為陣列中的間隙較少而不會有助于能量轉換。

圖3：來自Cymbet的EnerChip CBC915。

另一種替代方案是EH4295微功率升壓低壓增壓器。這是一個自供電的升壓模塊，可將來自太陽能電池的低直流電壓輸入轉換為適用于Arduino板的更高交流或直流電壓輸出。它不需要單獨的電源來運行，它直接從低輸入電壓能量采集源獲得電源，從低至2μW開始，這使得板載自啟動振蕩器成為可能。

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圖4：EH4295升級Advanced Linear Devices的低壓增壓器。

EH4295的標稱輸入阻抗為950Ω，適用于許多不同的能量產生源，也可用于涓流充電應用，如電池充電器或超級充電器，包括能量輸入沒有得到很好的控制或調節。

EH4295自啟動振蕩器以約400 Hz的固有頻率振蕩，這取決于源阻抗，源電壓，輸出負載和器件中的諧振元件。

核心是MOSFET陣列。耦合到專用MOSFET陣列的板載變壓器構成了自啟動振蕩電路的核心。振蕩器波形耦合到模塊內部的變壓器，該變壓器提供AC輸出信號，該輸出信號的幅度受輸出負載的限制。典型的輸出負載是全波整流器，可以處理20 V以上的AC輸入和輸入功率，受EH4295輸出的限制。

當與EH4295耦合時，能量發生器源內部阻抗和EH4295輸入阻抗形成一個網絡，在這個網絡中，能量發生器源開始向EH4295供電。一旦達到內部振蕩閾值功率水平，振蕩開始，并開始能量傳遞。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型號和單位之間會有所不同。因此，EH4295非常適用于最低工作功率范圍非常低的高效率，低功耗應用，以及使用其他方式無法捕獲和存儲在電池組或電容器存儲庫中的其他方式。

隨著輸入能量在能量發生器源處積聚，傳輸的功率量也相應地發生變化。 EH4295的最大額定功率限制了其功率處理能力，但它確實允許外部輔助DC-DC轉換器在更高的功率點接管。板載振蕩器產生的交流輸出使EH4295能夠支持其他開關電路在更高的電壓和功率水平下進行轉換。

對于許多能量收集應用，EH4295與EH300系列能量收集模塊相結合，在與低壓，低能量發電源配合使用時提供簡單而有效的解決方案，該發電源僅提供零星的間歇輸入功率。組合的EH4295和EH300系列模塊可以從零輸出功率上升到可用水平，用于操作許多遠程傳感器網絡和需要1.8 V至6.8 V范圍內直流電源電壓的電路。升壓的AC或DC輸出電壓電平也可用于產生參考DC輸出，以驅動或啟動其他電子電路，例如需要超過1.0 V的DC電源電壓才能工作的外部升壓DC-DC轉換器。

集成電池

EnerChip CC CBC3105集成了5μAh固態電池，可在很寬的電源范圍內充電。通過集成電池，它為需要電源橋接和/或二次電源的系統提供備用能量存儲和電源管理。單個EnerChip CC最多可以為10個并行連接的EnerChip充電。

在正常操作期間，EnerChip CC使用內部電荷泵在2.5 V至5.5 V范圍內為受控電壓充電.ENABLE引腳允許使用外部控制線激活和停用電荷泵，以便最大限度地減少電流消耗，并充分利用EnerChip的快速充電時間。

圖5：EnerChip CBC3105的高電壓模式，帶有固態電池，為微控制器提供5V電壓。

EnerChip CC可以使用各種電源供電，例如主電源或非充電電池。當ENABLE引腳置為高電平時，電荷泵處于活動狀態并為集成電池充電。 EnerChip CC將在10分鐘內收取80％的費用。由于快速充電，建議一旦EnerChip CC充滿電，用戶通過強制降低ENABLE引腳來降低功耗。從MCU生成的信號可用于啟用和禁用EnerChip CC。

結論

為Arduino板提供環境能源并非易事，但通過太陽能電池組合為可充電存儲單元和創新的電源管理設備供電，可以為電路板提供正確的電流和電壓。只要仔細分析功率預算，正確數量的太陽能電池就應該提供所需的功率，為Arduino系統設計人員提供高度的靈活性。