這是一個獨立的太陽能遠程氣候監(jiān)測節(jié)點，可以跟蹤環(huán)境數(shù)據(jù)，進行實時氣候洞察和研究。

該項目涉及圍繞北歐半導體nRF9151芯片組開發(fā)一種先進的環(huán)境監(jiān)測設備。目標是創(chuàng)建一個能夠在偏遠和離網(wǎng)地區(qū)收集環(huán)境數(shù)據(jù)的自我維持系統(tǒng)，在這些地區(qū)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施(如WiFi)可能不可用或不可靠。該設備將利用各種環(huán)境傳感器收集二氧化碳(CO2)水平、大氣壓力和其他關(guān)鍵環(huán)境指標等參數(shù)的數(shù)據(jù)。通過QWIIC連接器促進傳感器連接，為傳感器集成提供靈活性。雖然目前沒有集成傳感器，但該設計包括四個QWIIC連接器，其中兩個是必不可少的，另外兩個是未來擴展的附加連接器。

該設備配備了LTE連接和SIM卡連接器，可以通過蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)傳輸。這種功能確保了從傳感器收集的環(huán)境數(shù)據(jù)可以發(fā)送到中央基站，即使在WiFi連接有限或沒有WiFi連接的地區(qū)也是如此。這使得該系統(tǒng)成為偏遠地區(qū)環(huán)境研究應用的理想選擇。

該設備的突出特點之一是它能夠使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)傳感器確定其地理位置。GNSS傳感器提供精確的位置數(shù)據(jù)，確保環(huán)境讀數(shù)可以進行地理標記，這對于需要空間感知的應用至關(guān)重要。

該設備被設計為自我維持，這意味著它可以自主運行，不需要外部電源或頻繁的維護。它由一個雙源系統(tǒng)供電，包括一個用于直流電源適配器供電的Type-C輸入和一個太陽能電池板。太陽能電池板用于給設備的車載電池充電，確保它即使在沒有常規(guī)電源的地區(qū)也能保持運行。太陽能收集系統(tǒng)集成了一個高效的電源管理解決方案，使用北歐nPM1300，處理電池充電、監(jiān)控和整體配電。nPM1300通過太陽能電池板和Type-C輸入確保最佳的電池充電，即使在一個電源不可用的情況下也能保持不間斷的運行。雙電源輸入功能通過外部電路實現(xiàn)，提供無縫切換和增強的系統(tǒng)可靠性。雖然該設備配備了Type-C輸入，用于偶爾充電，但它的主要設計是自主運行，從集成的太陽能電池板獲取電力。這確保了系統(tǒng)的自我維持能力，使其能夠獨立運行而不需要連續(xù)的外部電源。

為了優(yōu)化功耗，系統(tǒng)采用休眠電源模式，允許設備在不活動期間進入超低功耗狀態(tài)。這在傳感器數(shù)據(jù)周期性傳輸?shù)那闆r下特別有用，可以降低整體能耗并延長電池壽命。此外，太陽能電池板的健康監(jiān)測是通過在兩個模擬引腳之間放置一個分流電阻來實現(xiàn)的，從而可以連續(xù)跟蹤發(fā)電效率和系統(tǒng)性能。

從環(huán)境傳感器收集的數(shù)據(jù)定期進行，所有傳感器數(shù)據(jù)通過LTE網(wǎng)絡傳輸?shù)街醒牖具M行進一步分析。除了環(huán)境數(shù)據(jù)外，該系統(tǒng)還將健康指標(如太陽能電池板健康狀況、電池狀態(tài)和充電水平)傳輸?shù)交?。這允許實時監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以及早期發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)或傳感器的任何潛在問題。

該設備的自我維持特性，再加上其遠程連接和實時數(shù)據(jù)傳輸，使其成為傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設施缺失或不可靠地區(qū)應用的理想解決方案。即使在最偏遠或惡劣的環(huán)境中，它也能實現(xiàn)連續(xù)、實時的環(huán)境監(jiān)測。

相對于現(xiàn)有解決方案的主要優(yōu)勢

雖然目前有各種各樣的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但該設備的自我維持和遠程功能使其在幾個關(guān)鍵方面有別于傳統(tǒng)解決方案：

自我維持電力系統(tǒng)：大多數(shù)現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測設備依賴于固定的電源，如AC/DC適配器，需要定期維護或依賴于附近的電力基礎(chǔ)設施。然而，該系統(tǒng)采用雙電源輸入系統(tǒng)：Type-C通過直流適配器充電，太陽能電池板持續(xù)為電池充電，使設備能夠在離網(wǎng)位置自主運行。太陽能電池板的加入大大減少了維護需求，因為它消除了頻繁更換電池或手動充電的需要，而這通常是現(xiàn)有解決方案的限制。

使用LTE連接進行數(shù)據(jù)傳輸：傳統(tǒng)的環(huán)境傳感器通常依靠WiFi或藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸，這限制了它們在WiFi基礎(chǔ)設施可能不可用的偏遠地區(qū)的可用性。該系統(tǒng)的突出之處在于集成了外部LTE模塊和SIM卡連接器，使設備能夠通過蜂窩網(wǎng)絡發(fā)送實時數(shù)據(jù)。這一功能確保了即使在幾乎沒有WiFi覆蓋的地區(qū)也能傳輸數(shù)據(jù)，使其高度適應偏遠或惡劣的環(huán)境。

遠程監(jiān)控電源運行狀況：與許多現(xiàn)有設備只是簡單地收集和傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)不同，該系統(tǒng)還包括對其電源的實時監(jiān)控。nPM1300電源管理系統(tǒng)不僅可以控制電池充電，還可以跟蹤電池的健康狀況。電池狀態(tài)、其他參數(shù)監(jiān)測和整體系統(tǒng)電源狀態(tài)的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)交?，允許主動維護，并確保設備即使在電源相關(guān)問題的情況下也能保持運行。同樣，太陽能電池板電源健康數(shù)據(jù)也被傳輸，確保設備健康的遠程監(jiān)控。

GNSS的地理位置感知：許多環(huán)境監(jiān)測設備無法整合位置跟蹤，這對于需要對收集的數(shù)據(jù)進行精確地理標記的應用程序來說是一個至關(guān)重要的功能。該系統(tǒng)通過集成GNSS傳感器解決了這個問題，該傳感器允許設備準確地確定其地理位置。該功能對于跟蹤不同地點的環(huán)境條件至關(guān)重要，特別是對于農(nóng)業(yè)監(jiān)測，野生動物跟蹤和不同環(huán)境中的研究等應用。

自主和連續(xù)操作：大多數(shù)當前的解決方案需要定期的人工干預來進行充電、維護或數(shù)據(jù)檢索。然而，該系統(tǒng)是為連續(xù)自主操作而設計的。它定期收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過LTE傳輸，無需人工干預。太陽能充電、LTE數(shù)據(jù)傳輸和電源管理的結(jié)合確保了設備以完全自主的方式保持運行，從而降低了運營成本和人為監(jiān)督。

在惡劣環(huán)境下的長期部署：由于電源有限和需要頻繁維修，現(xiàn)有的解決方案往往難以在偏遠或惡劣條件下進行長期部署。該系統(tǒng)集成了太陽能和強大的電源管理功能，能夠以最少的維護進行長期部署。它特別適合在電力供應有限或經(jīng)常停電的地區(qū)進行環(huán)境監(jiān)測。

可擴展性和靈活性：基于nrf9151的自維持環(huán)境傳感器設備具有靈活和可擴展的部署能力，可適應各種網(wǎng)絡需求。通過支持NB-IoT、LTE、藍牙(BLE)、Zigbee和Mesh，以及未來的NTN集成，該系統(tǒng)可以部署在各種環(huán)境中，提供最佳的連接選擇。在需要遠程通信的場景下，LTE或NB-IoT可以確保數(shù)據(jù)的無縫傳輸。但是，對于短距離應用，可以利用BLE，大大降低功耗和網(wǎng)絡依賴性。當在局部區(qū)域內(nèi)部署多個設備時，Mesh網(wǎng)絡可以將傳感器互連起來，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)中繼，而無需依賴于直接的LTE連接。這種方法通過有效地分配通信負載，優(yōu)化了功耗，降低了成本，提高了網(wǎng)絡可靠性。通過這種自適應連接策略，該系統(tǒng)保持了高度的可擴展性，使其適用于小規(guī)模環(huán)境監(jiān)測以及遠程或城市地區(qū)的大規(guī)模傳感器部署。能夠添加更多的環(huán)境傳感器(通過額外的QWIIC連接器)，并通過太陽能電池板和Type-C輸入有效地管理電源，確保該設備可以適應各種用例，從偏遠地區(qū)的小規(guī)模監(jiān)測到大規(guī)模的環(huán)境網(wǎng)絡。

本文編譯自hackster.io