团队对微功耗的极致追求,终于开始结出硕果。经过无数个日夜的筛选、计算、搭试和调试,第一版满足超低功耗要求的传感器节点和控制核心原型,在唐七七的位面农场“实验室”里成功点亮。
李卫国负责的模拟前端,采用了他精心设计的、基于超低功耗运算放大器和精密分压电阻的信号调理电路,静态电流被严格控制在了22微安,远远低于最初设定的50微安目标。这使得传感器在休眠时,几乎不消耗什么能量。
赵向阳的控制核心更是堪称奇迹。他最终放弃了大而全的逻辑门组合,转而采用了一种极其精简的、基于定时唤醒和状态机判断的架构。整个核心在休眠状态下,仅靠一个经过特殊偏置的晶体振荡器维持基本计时,总静态电流达到了惊人的8微安。当定时器到达设定时间,或者外部传感器送来超过阈值的信号时,核心才会“苏醒”,进行快速的数据采集、判断和处理,完成后又迅速进入“梦乡”。这种“打盹式”的工作方式,将动态功耗也降到了最低。
苏晓梅设计的猝发式通信协议也趋于完善。节点只在控制核心判断需要上报数据时,才短暂启动功耗较高的无线电发射模块,将压缩后的数据包在毫秒级的时间内发送出去,随即立刻关闭。整个过程如同夜间阵地上打出的信号弹,短暂而高效。
“成功了!我们真的做到了!”赵向阳看着微安表上稳定显示的、在休眠状态下低于30微安的总节点电流,激动地差点跳起来。这个数字,意味着在搭配合适的储能装置后,节点的续航能力将得到指数级的提升。
李卫国虽然依旧表情沉稳,但紧抿的嘴角也泄露出一丝如释重负的笑意。他仔细检查着示波器上唤醒瞬间的电流波形,确认没有异常的冲击电流,点了点头:“基础功耗控制住了,下一步,就是解决‘吃饭’问题。”
“吃饭问题”,指的就是能源的获取与存储。tech-Geek提供的非晶硅太阳能电池板样品和超级电容(目前用大容量、低漏电流的电解电容模拟)的方案被提上日程。
唐七七将几块巴掌大小的非晶硅电池板固定在位面农场模拟的、具有不同光照条件(她利用空间控制勉强模拟)的区域,开始测试其实际的发电能力。结果既令人鼓舞,又现实骨感。
正如资料所述,非晶硅电池在强光下的转换效率确实不高,但在清晨、黄昏、或者多云天气的散射光下,其输出能力相比传统的晶体硅电池衰减要小得多。一块在晴朗正午可能只能输出几十毫瓦的电池板,在光线微弱的清晨,依然能提供可观的、足以给电容缓慢充电的微安级电流。
“这就像个耐心的‘光能捕手’,”唐七七比喻道,“它不追求在阳光最好时一口吃成胖子,而是孜孜不倦地、在任何有光线的时刻,一点点地收集能量。”
他们将优化后的低功耗节点与“光能捕手”和储能电容连接起来,开始了漫长的充放电循环测试。测试结果再次证明了方向的正确性:在模拟的、有规律光照变化的环境中,这套自供电系统成功地维持了节点的持续运行。即使在模拟连续阴雨三天(完全依赖电容储能)的情况下,节点依然没有因为断电而停止工作,只是上报数据的频率自动降低了。
“光能捕手”系统,终于从构想变成了现实的原型!
虽然这只是一个简陋的、距离实际应用还有很长距离的实验室原型,但其代表的意义非同寻常。它证明了,在现有的技术条件下,通过极致的功耗控制和巧妙的能源获取方式,实现电子设备在野外环境下的长期、免维护运行,是可行的!
团队成员们围着这个散发着微弱指示灯光芒的小小装置,眼中都充满了激动与自豪。这是他们心血和智慧的结晶,是无数个不眠之夜和无数次失败后换来的突破性进展。
唐七七轻轻抚摸着那几块深色的非晶硅电池板,心中涌起一股强烈的成就感。这不仅是一个技术原型,更是一把钥匙,一把可能打开农业现代化,乃至更多领域智能化监测大门的钥匙。
她知道,接下来的工作是将这个原型变得更可靠、更廉价、更适合批量生产。但此刻,她允许自己和团队享受这来之不易的、曙光初现的喜悦。