通过能量收集降低智能照明的成本

照明对工业应用中的功耗提出了特殊要求，找到有效的方法来管理电源并使照明系统更有效是降低运营成本的一个越来越重要的因素。

使用智能照明可以显着减少组织或位置的能源费用，但安装和维护传感器和无线网络的成本可能超过节省的成本。然而，能量收集现在正成为帮助工业系统设计人员降低功耗的可行技术。随着无线收发器和微控制器的功耗下降，它们现在可以利用来自环境的能量来获得低而恒定的功率。

使用太阳能或热能可用于为传感器和无线网络供电，协调和控制广泛区域的照明，而无需改造数英里的布线。这些系统确实使用电池，但增加能量收集的小额增量成本为运营管理带来了巨大的好处，允许将传感器节点放置在难以接近的区域中的照明旁边，并且无需更换电池。在工业环境中有数百甚至数千个灯，除了起重机之外很多都无法进入，这是一个关键的节省。

虽然使用能量收集产生的毫瓦来为LED灯供电是不可行的，但环境中的这种“免费”功率可用于驱动传感器，这些传感器可以在不需要时减少甚至关闭照明。该技术还可以为无线链路供电，该无线链路可以优化制造车间或工业环境中的照明，确保最有效地利用能源并降低成本。

只有当有人在附近时，通过使用接近或移动传感器或来自中央服务器的通知，才能启用照明，可以显着降低功率需求，从而降低总体运营成本。

能量收集有助于实现这一功能，无需安装布线即可添加到工业照明系统中，因为节点可以直接放置在任何需要的地方。由于照明遍布整个区域，因此可以节省数英里布线的材料和安装，并为改造控制系统提供快速简便的技术。

这也可以与所谓的“日光采集”环境设计相结合。这充分利用了可用的日光，减少了人工照明，提供了一致的环境。这需要对照明系统进行严密控制，通常链接回使用设施布局的服务器上的软件。能量收集技术可以提供一种简单的方法来将无线链路改装到照明系统中以提供必要的控制。

虽然这看起来很复杂，但使用“日光采集”的平均节省率为24％，而且在一些工业案例研究中发现高达80％。这大大降低了能源成本。

奇怪的是，灯的能量本身可用于为传感器和无线网络供电。德州仪器（TI）的eZ430-RF2500-SEH是一款完整的太阳能收集开发套件，可帮助创建基于超低功耗MSP430微控制器的永久供电无线传感器网络（图1）。

太阳能收集模块包括一个高效率的2.25 x 2.25英寸太阳能电池板，优化用于在室内低强度荧光灯下工作，提供足够的电力来运行无线传感器应用而无需额外的电池。输入也可用于外部能量采集器，例如热能，压电或其他太阳能电池板。

图1：德州仪器的能量收集开发套件。

该系统还在一对薄膜可充电EnerChip中管理和存储额外的能量，能够为超过四百次传输提供足够的电力。它们充当能量缓冲器，在应用程序处于睡眠状态时存储能量，并且具有可用于收获的光。电池是环保的，可以充电数千次。它们的自放电率也很低，这对能量收集系统至关重要。

eZ430-RF2500用于运行能量收集应用。它是一个完整的基于USB的MSP430无线开发工具，提供使用微控制器和2.4 GHz无线收发器所需的所有硬件和软件。它包括一个USB调试接口，允许对MSP430进行实时的系统内调试和编程，并提供从无线系统向PC传输数据的接口。

集成温度和RF信号强度指示器可用于监控环境，外部传感器可用于收集额外数据以支持工业照明系统。

该模块背后的核心技术是将环境光转换为电能的光伏或太阳能电池。必须转换，管理和存储来自太阳能电池的能量。这是由太阳能收集模块上的小型DIP安装板EnerChip处理的。升压转换器用于将太阳能电池的电压增加到足以为薄膜电池充电并运行系统其余部分的电压。

充电控制模块持续监控升压转换器的输出，如果低于为EnerChip充电所需的电压，充电控制器会断开转换器与系统的连接，以防止在低光照条件下为其供电。电源管理模块可防止EnerChip在低光照条件下或异常高电流负载下放电过深。它还可确保负载通过平滑的上电转换进行上电，从而在低光照条件下保持性能。

Microchip的XLP 16位能量收集开发套件还将太阳能用于无线节点，以控制工业照明系统。它采用Microchip的16位PIC单片机，其休眠电流低于20 nA，欠压复位低至50 nA。该系统能够从使用内部光的太阳能电池可用的少量电力有效地运行以产生电力。

开发板具有板载温度传感器，数据EEPROM，电位器，钟表晶体，LED和用于外部模块的扩展连接器，支持RF收发器和SD/MMC卡。

图2：Microchip的XLP 16位能量收集开发套件。

Cymbet的太阳能收集器为各种控制器提供动力。收割机采用高效太阳能电池板，适用于室内工业照明和捕获，并在两个Cymbet EnerChip薄膜可充电储能设备中管理和储存能量。

Microchip和Cymbet合作开发了用于16位微控制器的Energy Conscious软件算法。可以通过USB连接将监控的信息报告给PC用户界面。这允许系统设计者在“日光采集”场景中平衡能量收集和能量使用，以尽可能地降低功耗。

Silicon Labs还有一个太阳能收集板，它使用寿命超过15年或7000 mAh的薄膜电池。这使得无线节点具有非常薄的外形，电池高度为0.17 mm，以适应照明外壳。

该板由无线传感器节点和EZRadioPRO USB Dongle组成，使用Silicon Labs Si4431无线电，工作频率为919.84 MHz，由太阳能收集电源供电。能量收集电源的泄漏电流为3μA，在太阳能电池照射下可消除50 lux，使能量收集电源在黑暗环境中为系统供电约7天，仍可供控制如果有光源，可以室内照明（200 lx）或室外照明（10，000 lx）进行切换或无限期。

另一种方法是利用热能。 EnOcean的EDK312评估套件使系统设计人员能够使用Peltier效应器件从温差中获取功率（图3）。由于工业环境通常产生大量热量，Peltier设备可用于为每个温差产生10 mV的电压差。然后，这可以用于为工作在868 MHz的STM 312 RF模块以及照明传感器供电。

图3：EnOcean EDK312热能评估套件。

该套件具有预定义的功能集，可用于能源管理，数据采集，数据处理和无线数据传输。可以基于Dolphin应用程序编程接口实现用户特定应用程序。

Advanced Linear Devices提供微功率升压低压增压器模块，可将各种能量收集设备与电池连接，因此可与传感器和无线链路配合使用。

EH4295是EH4200系列微功率升压低压增压器的一部分，是一款自供电升压模块，可将低直流电压输入转换为更高的交流或直流电压输出，适用于许多低功率能量收集应用使用光电二极管，热电或电磁发电机作为输入源（图4）。 EH4295不需要单独的电源即可工作，它直接从低输入电压能量收集源获得电源，从低至2μW开始，这使得板载自启动振荡器成为可能。

图4：Advanced Linear Devices的EH4295升压低压增压器。

EH4295具有950Ω的标称输入阻抗，适用于许多不同的能源发电源，也适用于涓流充电应用，如电池充电器或超级充电器，包括能量输入不是控制良好或受到监管。

EH4295自启动振荡器以约400 Hz的固有频率振荡，这取决于源阻抗，源电压，输出负载和EH4295板上的谐振元件。

EH4295的核心是为此应用设计和开发的MOSFET阵列。耦合到专用MOSFET阵列的板载变压器构成了自启动振荡电路的核心。振荡器波形耦合到模块内部的变压器，该变压器提供AC输出信号，其幅度受输出负载的限制。典型的输出负载是全波整流器，可以处理20 V以上的AC输入和输入功率，受EH4295输出的限制。

当与EH4295耦合时，能量发生器源内部阻抗和EH4295输入阻抗形成一个网络，在这个网络中，能量发生器源开始向EH4295供电。一旦达到内部振荡阈值功率水平，振荡开始，并开始能量传递。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型号和单位之间会有所不同。因此，EH4295非常适用于最低工作功率范围非常低的高效率，低功耗应用，以及使用其他方式无法捕获和存储在电池组或电容器存储库中的其他方式。

随着输入能量在能量发生器源处积聚，传输的功率量也相应地发生变化。 EH4295的最大额定功率限制了其功率处理能力，但允许外部辅助DC-DC转换器在更高的功率点接管。板载振荡器产生的交流输出使EH4295能够支持其他开关电路在更高的电压和功率水平下进行转换。

对于许多能量收集应用，EH4295与EH300系列能量收集模块相结合，在与低压，低能量发电源一起使用时提供简单而有效的解决方案，该发电源仅提供零星的间歇输入功率。组合的EH4295和EH300系列模块可以从零输出功率上升到可用水平，用于操作许多远程传感器网络和需要1.8 V至6.8 V范围内直流电源电压的电路。升压的AC或DC输出电压电平也可用于产生参考DC输出，以驱动或启动其他电子电路，例如需要超过1.0 V的DC电源电压才能工作的外部升压DC-DC转换器。

在工业照明系统中使用能量收集技术可以带来显着的好处。太阳能可以驱动无线节点和传感器，为“日光采集”提供基础设施，协调和切换照明系统，以支持和提升自然采光。热能还可用于为不需要时可关闭照明的传感器节点供电，同样降低功耗。这些技术可以降低运行工业照明系统的成本以及实现和改进这种控制系统的显着成本。