CN220797861U - 基于太阳能的供电设备和环境监测设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及基于太阳能的供电设备。该设备包括：电池模块、第一电压输入、第二电压输入和充电管理电路。充电管理电路包括：耦接在第一电压输入和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路；耦接在第二电压输入和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路；和充电切换电路，其中，充电切换电路被配置为：响应于第二电压输入未接收到第二电压，将第一电压输入接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及响应于第二电压输入接收到第二电压，将第一电压输入从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。本公开还涉及环境监测设备。

Description

基于太阳能的供电设备和环境监测设备

技术领域

本公开涉及利用太阳能的设备，更具体地，涉及基于太阳能的供电设备和环境监测设备。

背景技术

在很多应用场景中，需要监测环境并从环境收集数据，以帮助用户进行分析和决策。完成这样的任务的环境监测设备通常长期放置在室外，因此需要环境监测设备能够高效地收集和存储能量，并同时优化设备的功耗，以适应连续和长期地室外运行。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种基于太阳能的供电设备，被配置为通过电压输出对负载供电，包括：电池模块，被配置为耦接到电压输出；第一电压输入，被配置为接收来自太阳能模块的第一电压；第二电压输入，被配置为接收比第一电压低的第二电压；以及充电管理电路，包括：耦接在第一电压输入和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路；耦接在第二电压输入和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路；和充电切换电路，其中，充电切换电路被配置为：响应于第二电压输入未接收到第二电压，将第一电压输入接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及响应于第二电压输入接收到第二电压，将第一电压输入从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。

根据本公开的第二方面，提供了一种环境监测设备，包括：防水的壳体；传感器，被配置为感测环境数据；太阳能板，设置于所述壳体之上；以及供电设备，设置于所述壳体内，所述供电设备被配置为对所述传感器供电，其中，所述供电设备包括：电池模块，被配置为耦接到电压输出；第一电压输入，被配置为接收来自所述太阳能板的第一电压；第二电压输入，被配置为接收比第一电压低的第二电压；以及充电管理电路，包括：耦接在第一电压输入和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路；耦接在第二电压输入和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路；和充电切换电路，其中，充电切换电路被配置为：响应于第二电压输入未接收到第二电压，将第一电压输入接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及响应于第二电压输入接收到第二电压，将第一电压输入从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。

附图说明

从结合附图示出的本公开实施例的以下描述中，本公开的前述和其它特征和优点将变得清楚。附图结合到本文中并形成说明书的一部分，进一步用于解释本公开的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本公开。其中：

图1是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备的示意性框图；

图2是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的充电管理电路的示意性框图；

图3A和图3B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的充电管理电路的示意性电路图；

图4是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的供电管理电路的示意性框图；

图5是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的供电管理电路的示意性电路图；

图6是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的电源开关电路的示意性框图；

图7是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的电源开关电路的示意性电路图；

图8A和图8B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的反接保护电路的示意性电路图；

图9是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面的平面图；

图10A是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面的立体图；

图10B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面的平面图，其中电路元件被移除；

图10C是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第二面的立体图；

图10D是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第二面的平面图，其中电路元件被移除；

图11是根据本公开实施例的环境监测设备的示意性框图；

图12A至图12H是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备的各部分的示意性电路图；

图13A至图13D是根据本公开实施例的环境监测设备的示意性实物图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。

另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本公开提供了基于太阳能的供电设备和环境监测设备，其中基于太阳能的供电设备可以对环境监测设备供电，以使得环境监测设备能够在各种各样的环境下监测各种各样的对象。下面将结合附图详细描述根据本公开各实施例的基于太阳能的供电设备和环境监测设备。应当理解，实际的基于太阳能的供电设备和环境监测设备可能还存在其它部件，而为了避免模糊本公开的要点，附图没有示出且本文也没有讨论其它部件。

图1是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备的示意性框图。基于太阳能的供电设备(本文也简称为“供电设备”)通过其电压输出P4提供对其负载供电的功能。例如，当供电设备为环境监测设备中的供电设备时，其供电的负载可以包括环境监测设备中用来感测环境数据的各种传感器，诸如包括图像传感器的相机、温度/湿度/风度/照度计等；还可以包括环境监测设备中用来进行控制的控制器(例如MCU等)、用来计算的图形处理器、用来存储数据的存储器、和用来通信的通信模块等。供电设备包括电池模块，电池模块耦接到电压输出P4，以便对负载供电。供电设备还包括用于接收来自太阳能模块的第一电压的第一电压输入P1，和用于接收例如来自USB模块的第二电压的第二电压输入P2。供电设备还提供通过第一电压输入P1或第二电压输入P2对电池模块进行充电的功能。其中，太阳能模块可以包括用于收集太阳能的太阳能板(也称“太阳能电池板”)，USB模块可以包括经由USB接口连接到供电设备的外部装置，例如计算机、充电器等。

如上文所述，环境监测设备通常长期放置在室外，为其供电的根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备能够通过太阳能板收集太阳能，并将能量存储在电池模块中，以便对环境监测设备供电。而太阳能是一种不稳定的能源，可能连续几天缺席，因此根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备还能够从USB模块汲取能量并存储在电池模块中，这可以成为来自太阳能模块的能量的补充。由于日照时间有限而只能在短时间内充电并且最好在最短的时间内收集最多的能量，因此环境监测设备常常使用收集能量较高效的、能提供较高的第一电压(例如大致18V或更高)的较大的太阳能电池板。而来自USB模块的第二电压(例如大致5V)通常远低于来自较大的太阳能电池板的第一电压，例如第一电压可以为第二电压的三倍或更多倍。但较低的第二电压比较高的第一电压的持续性和稳定性都更高，可以在供电设备中构造充电管理电路，使得较低的第二电压在向电池模块的充电过程中自动享有更高的优先级。

图2为用于通过第一电压输入P1或第二电压输入P2对电池模块进行充电的充电管理电路的示意性框图。充电管理电路包括耦接在第一电压输入P1和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路，耦接在第二电压输入P2和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路，和用于在第一充电电路和第二充电电路之间切换、以便在第二电压存在时只使用第二电压充电并且在第二电压不存在时使用第一电压充电的充电切换电路。充电切换电路被配置为：响应于第二电压输入P2未接收到第二电压，将第一电压输入P1接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及响应于第二电压输入P2接收到第二电压，将第一电压输入P1从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。

如图所示，充电切换电路包括第一开关元件和第二开关元件。第一开关元件耦接在第一电压输入P1和第一充电电路之间，第二开关元件耦接到第二电压输入P2和第一开关元件。第二开关元件被配置为：响应于第二电压输入P2未接收到第二电压，呈现第一开关状态，以使得第一开关元件导通；以及响应于第二电压输入P2接收到第二电压，呈现第二开关状态，以使得第一开关元件关断。

图3A和图3B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的充电管理电路的示意性电路图。图3A示出了第二电压输入P2未接收到第二电压的情况，例如来自外部的USB模块未接入，图3B示出了第二电压输入P2接收到第二电压的情况，例如来自外部的USB模块已接入。在图3A和图3B的示意性电路图中，用开关K1的通断来模拟来自外部的USB模块的接入和未接入。需要说明的是，图3A和图3B意在示出充电管理电路中的充电切换电路，因此其中的第一充电电路和第二充电电路均以高度简化的方式示出。

在图3A和图3B所示的实施例中，第一开关元件为P型MOSFET Q1，第二开关元件为N型MOSFET Q2。Q1的源极耦接到第一电压输入P1、Q1的漏极耦接到第一充电电路、Q1的栅极耦接到Q2。Q2的栅极耦接到第二电压输入P2、Q2的源极接地、Q2的漏极耦接到Q1的栅极。在图3A和图3B所示的实施例中，Q2通过双极型晶体管来控制Q1的栅极电压，从而控制Q1的通断。如图所示，充电切换电路还包括PNP型双极型晶体管Q3和电阻R1。Q3的基极耦接到Q2的漏极从而经由Q2接地，Q3的发射极耦接到第一电压输入P1并且集电极通过电阻R1接地。因为这种连接方式，在第一电压输入P1能够接收到第一电压的情况下，例如图中所示接收到18V的第一电压的情况下，Q3的发射结正偏且集电结反偏，双极型晶体管Q3会一直工作在放大区。此外，在充电切换电路中，还将Q1的栅极耦接到Q3的集电极和电阻R1之间，使得Q1的栅极通过电阻R1接地。

如图3A所示，在第二电压输入P2未接收到第二电压的情况下(图中通过开关K1断开来模拟)，耦接到第二电压输入P2的Q2的栅极电压处于较低的电位，N型MOSFET Q2的栅源电压不大于Q2的开启电压，因此Q2处于关断状态。第二充电电路也由于未能接收到来自第二电压输入P2的第二电压，而无法对电池模块充电(图中显示为0V)。虽然双极型晶体管Q3工作于放大区，但由于Q3的基极经由Q2接地，因此在Q2关断的情况下，Q3的基极由于断路而并没有电流流过，因此Q3的发射极电流和集电极电流也为零。由于Q1的源极直接耦接到第一电压输入P1，而Q1的栅极是耦接到由电阻R1和R2组成的分压电路中，因此P型MOSFET Q1的栅极电压小于其源极电压。通过设计电阻R1和R2的电阻值，可以将在第一电压输入P1能够接收到第一电压的情况下的Q1的栅源电压控制为小于Q1的开启电压，从而使得Q1导通。因此，第一充电电路能够接收到来自第一电压输入P1的第一电压，从而在这种情况下充电管理电路只通过第一充电电路对电池模块充电(图中显示为17.875V)。

如图3B所示，在第二电压输入P2接收到第二电压的情况下(图中通过开关K1接通来模拟)，第二充电电路由于接收到来自第二电压输入P2的第二电压，因此能够对电池模块充电(图中显示为5V)。耦接到第二电压输入P2的Q2的栅极电压在电阻R3的作用下被拉高，N型MOSFET Q2的栅源电压大于Q2的开启电压，因此Q2处于导通状态。由于双极型晶体管Q3的基极经由Q2接地，因此在Q2导通的情况下，Q3的基极电流不为零。由于Q3工作于放大区，因此此时在Q3的发射极和集电极会有较大的电流流过。又由于Q3的集电极通过电阻R1接地，因此Q3的较大的集电极电流流过电阻R1，这使得P型MOSFET Q1的栅极电压很快升高，以致Q1的栅源电压不再小于Q1的开启电压，从而使得Q1关断。如此，第一充电电路无法接收到来自第一电压输入P1的第一电压，以致第一充电电路无法为电池模块充电。因此，在第二电压输入P2接收到第二电压的情况下，充电管理电路只通过第二充电电路对电池模块充电。

如此，可以将具有较低电压的第二电压输入P2设置为具有较高的充电优先级，这使得充电管理电路会自动地优先使用更具稳定性的USB模块来为电池模块充电，而在USB模块的电压输入不存在的情况下，自动地使用太阳能模块来为电池模块充电，同时还可以避免电流回流损坏任何电路组件。

在一些实施例中，供电设备还包括耦接到电压输出的供电管理电路。图4是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的供电管理电路的示意性框图。如图4所示，供电管理电路耦接在电池模块、太阳能模块、USB模块和系统负载之间，以将来自电池模块、太阳能模块、USB模块的电能提供给负载。供电管理电路包括耦接在第一电压输入P1和电压输出P4之间的第一供电电路、耦接在第二电压输入P2和电压输出P4之间的第二供电电路、耦接在电池模块和电压输出P4之间的第三供电电路、以及在三条供电电路之间切换的供电切换电路。供电切换电路包括耦接到第一至第三供电电路中的每条供电电路的第三开关元件，其中，第三开关元件被配置为：响应于第二电压输入P2接收到第二电压而关断，以使得第一供电电路和第三供电电路断开，从而使得供电管理电路只使用第二电压对负载供电；以及响应于第二电压输入P2未接收到第二电压而导通，以使得第一供电电路和第三供电电路接通，从而使得供电管理电路使用第一电压和/或电池模块对负载供电。

图5是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的供电管理电路的示意性电路图。在图5所示的实施例中，第一充电电路包括太阳能充电器，第二充电电路包括USB充电器，电池模块包括锂电池，第三开关元件包括P型MOSFET Q4。Q4的源极耦接到电压输出P4，其栅极耦接到第二电压输入P2。Q4的漏极耦接在第一供电电路和第三供电电路两者上，例如耦接到太阳能充电器的输出端口以及锂电池的输出端口两者，即使得太阳能模块的第一供电电路和电池模块的第三供电电路均经由Q4对负载供电。在第二电压输入P2接收到第二电压的情况下，第二电压使得二极管导通从而可以直接通过第二电压输入P2为负载供电，直接连接到第二电压输入P2的USB充电器可以为锂电池充电。同时，第二电压使得P型MOSFET Q4的栅极电压升高，Q4的栅源电压大于Q4的开启电压，使得Q4关断，从而太阳能模块和电池模块无法为负载供电。因此在第二电压输入P2接收到第二电压的情况下，供电管理电路只使用USB模块对负载供电。

在第二电压输入P2未接收到第二电压的情况下，P型MOSFET Q4的栅极电压为低电位，源极电压为太阳能充电器的输出电压或锂电池的输出电压，因此栅源电压小于Q4的开启电压，Q4导通，以使得基于太阳能模块的第一供电电路和基于电池模块的第三供电电路均接通。应当理解，图中的二极管还可以起到在Q4导通的情况下，防止电压输出P4端的电流回流到第二电压输入P2和USB充电器的作用。如此，在第二电压输入P2未接收到第二电压的情况下，在太阳能模块能够对外供电时(例如太阳能电池板还有足够电能以对外提供时)，至少通过太阳能对负载供电：如果负载所需的电流超过太阳能模块能够提供的电流，则同时使用太阳能模块和电池模块两者对负载供电；如果负载所需的电流不超过太阳能模块能够提供的电流，则太阳能模块可以在对负载供电的同时还对电池模块充电。在太阳能模块不能够对外供电时，使用电池模块对负载供电。

特别地，太阳能充电器的外部电源正极输入端耦接到第一电压输入P1、其电池正极连接端BAT(也简称为“BAT引脚”)耦接到电池模块、其充电电流检测正输入端CSP(也简称为“CSP引脚”)经由检测电阻R4耦接到其电池正极连接端BAT。并且，第一供电电路将太阳能充电器的充电电流检测正输入端CSP耦接到电压输出P4(例如经由第三开关元件Q4)，以使得第三供电电路将电池模块经由检测电阻R4耦接到电压输出P4(例如经由第三开关元件Q4)。连接在CSP引脚和BAT引脚之间的电阻R4用于设置锂电池的最大充电电流。虽然CSP线路上的电流不受限制，但BAT线路上的电流受电阻R4的限制。在典型应用中，太阳能充电器的输出将连接在BAT引脚上，例如通过BAT引脚耦接到电压输出P4以对负载供电。然而，这样的连接会导致：当同时为电池充电和为输出系统供电时，电流消耗分布在这两条线路上，这会混淆电池充电器中基于电流的充电算法，从而导致不确定的充电行为；另一方面，如果系统输出需要从检测电阻吸收比可能更多的电流，则系统可能无法正常工作。本公开的电路中，通过将太阳能充电器的CSP引脚耦接到电压输出P4，即通过太阳能充电器的CSP引脚对负载供电，可以解决上述这些问题。

在一些实施例中，供电设备还包括耦接在供电管理电路与电压输出P4之间的电源开关电路。图6是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的电源开关电路的示意性框图。如图6所示，电源开关电路包括自复位按键开关、第四开关元件和第五开关元件。第四开关元件耦接在供电管理电路与电压输出P4之间并且耦接到自复位按键开关，第五开关元件耦接到第四开关元件。第四开关元件被配置为响应于第四开关元件处于关断状态并且自复位按键开关被按下而导通，第五开关元件被配置为响应于第四开关元件导通而导通，以使得第四开关元件被锁存于导通状态。如此，能够使得在第四开关元件处于关断状态时，如果自复位按键开关被按下，则第四开关元件导通并被锁存于导通状态，从而可以使得供电管理电路持续地为负载供电，直到以特定模式操作自复位按键开关以使得第四开关元件被关断为止。在一些实施例中，电源开关电路还包括电压节点P5，被配置为其电位能够被供电设备外部的控制器检测并且其电位能够被控制器设置。电压节点P5也耦接到自复位按键开关以检测自复位按键开关是否被按动或者是否被以特定模式按动，并且电压节点P5耦接到第五开关元件以控制第五开关元件的通断。如此，可以实现在第四开关元件导通、即供电设备对负载供电的情况下，当电压节点P5检测到自复位按键开关以特定模式被按动，例如长按，则控制器可以通过控制电压节点P5的电位来控制第五开关元件的通断，从而控制第四开关元件的通断，例如使得第四开关元件断开，以便实现供电设备对系统负载关机。在一些实施例中，第四开关元件还耦接到第三电压输入P3。第四开关元件还被配置为响应于第三电压输入P3为特定模式而导通。第三电压输入P3可以连接到外部的控制源，例如时钟唤醒单元，以使得当唤醒信号到来时，第四开关元件可以导通，从而使得供电设备开始为负载供电。

图7是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的电源开关电路的示意性电路图。在图7所示的实施例中，第四开关元件包括P型MOSFET Q5，第五开关元件包括N型MOSFET Q6，电压节点P5连接到外部控制器的管脚以便被控制器检测和控制电位。Q5的源极耦接到供电管理电路(例如供电管理电路的电压输出P6)，Q5的漏极耦接到电压输出P4，Q5的栅极经由自复位按键开关接地。Q5的栅极还耦接到第三电压输入P3，以使得Q5响应于第三电压输入P3的电位降低而导通。Q6的源极接地，Q6的漏极耦接到Q5的栅极，Q6的栅极耦接到Q5的漏极。电压节点P5经由自复位按键开关K2接地并且电压节点P5耦接到Q6的栅极。电压节点P5被配置为在电源开关电路导通时具有初始电位，并且其初始电位的降低能够被控制器检测，并且其电位能够被控制器设置为比初始电位更高的电位。需要说明的是，尽管未示出，外部控制器也是供电设备的负载，是需要供电设备对其供电的。

在电源开关电路使得供电设备不对负载供电的状态下(也称关机状态)，在自复位按键开关K2被按下的瞬间，P型MOSFET Q5的栅极在短时间内(例如几毫秒)经由电容C1被拉低，使得Q5在K2被按下之后立即导通。K2被按下之后，由于其自复位的特性，当按动的压力消失时，按键开关K2复位为断开状态。但由于Q5导通之后，电源开关电路的输出线路(连接Q5的漏极和电压输出P4的线路)上的电压升高，从而经由电容C2和电阻R5、R6将N型MOSFETQ6的栅极电压拉高，因此Q6导通。此时，Q5的栅极通过导通的Q6而接地，即Q5的栅极电位被Q6拉低，从而使得Q5持续稳定在导通的状态。可见，一方面，只要Q5导通使得电压输出P4的电位升高，则Q6就会导通；另一方面，只要Q6导通，就会使得Q5导通。如此，电源开关电路会被锁存在导通状态，使得供电设备通过电压输出P4一直对负载供电(也称开机状态)。在供电设备处于开机状态时，如果按键开关K2被按下，则节点N1的电位被拉低，这会导致电容C2经由电阻R5放电。如果按键开关K2被按下的时间足够长，例如长按按键开关K2，则电容C2持续放电，这使得Q6的栅极电位被拉低直至Q6关断，从而Q5的栅极电压升高直至Q5关断，如此电源开关电路断开，导致供电设备回到关机状态。

可以看出，如果在供电设备处于开机状态时将电压节点P5的电压拉低，例如拉低到地电位，并且持续足够长的时间，也可以起到与长按按键开关K2同样的作用，即使得供电设备转变为关机状态。这样，控制器可以根据其自身的控制逻辑，或者来自其他设备的命令，来通过控制电压节点P5的电压以使得供电设备关机。此外，如果在供电设备处于关机状态时第三电压输入P3的电压降低一小段时间，例如降低到地电位，则可以起到与短按按键开关K2同样的作用，即使得供电设备转变为开机状态。这样，可以将第三电压输入P3连接到单独被供电的实时时钟电路的中断输出(例如该中断输出可以为负脉冲)，这样，实时时钟电路可以在预定的时间输出中断，以唤醒供电设备使其变为开机状态。

在一些实施例中，供电设备还包括反接保护电路，以在电源反接的情况下使得电路与电源断开。电源反接可能是由于用于太阳能模块或USB模块的连接器以错误的方式插入供电设备的PCB板连接器导致的，也可能是由于电源布线中的连接错误导致的。图8A和图8B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的反接保护电路的示意性电路图。反接保护电路耦接在第一电压输入P1和电池模块之间。反接保护电路包括N型MOSFET Q7和发光二极管。Q7的栅极耦接到第一电压输入P1的正极(指第一电压输入P1的预设的正极)、Q7的漏极耦接到第一电压输入P1的负极(指第一电压输入P1的预设的负极)、Q7的源极耦接到电池模块的负极。发光二极管的阳极耦接到第一电压输入P1的负极、其阴极耦接到第一电压输入P1的正极，即发光二极管反接在第一电压输入P1的两端。如图8A所示，当外部电源(例如太阳能模块的太阳能电池板或USB模块的USB充电器等)正接时，即接入的外部电源的正负极和第一电压输入P1的预设的正负极相符时，N型MOSFET Q7的栅极电压在外部电源的作用下处于高电位，Q7导通，使得外部电源可以向电池模块充电。当外部电源反接时，即接入的外部电源的正负极和第一电压输入P1的预设的正负极相反时，如图8B所示，Q7的栅极电压在外部电源的作用下处于低电位，Q7关断，使得外部电源无法向电池模块充电，以保护下游的电路元件；并且同时，反接的外部电源使得反接在第一电压输入P1的两端的发光二极管中有电流流过，发光二极管亮起以指示外部电源反接，从而以简单且实用的方式来警告用户其连接有故障。

在一些实施例中，供电设备还包括用于GPIO连接器的多个接口，其中，第一电压输入P1的正极和第一电压输入P1的负极由用于GPIO连接器的多个接口中的相应接口提供；供电设备还包括用于USB连接器的多个接口，其中，第二电压输入P2的正极和第二电压输入P2的负极由用于USB连接器的多个接口中的相应接口提供。此外，供电设备还可以包括用于容纳一个或多个可充放电的电池的电池盒，与电池盒分离并通过电池接口耦接到电池盒的印刷电路板(也称为“PCB板”)，并在PCB板上设置有耦接到电压输出P4的自复位按键开关、用于GPIO连接器的多个接口(也称为“GPIO接口”)、以及用于USB连接器的多个接口(也称为“USB接口”)等。上述电池模块包括电池接口和一个或多个可充放电的电池。第一电压输入P1耦接到用于GPIO连接器的多个接口中的相应接口以接收来自太阳能模块的第一电压，第二电压输入P2耦接到用于USB连接器的多个接口中的相应接口以接收第二电压。在一些实施例中，电池接口、第一电压输入P1、第二电压输入P2和充电管理电路可以被设置在PCB板的第一面，自复位按键开关、GPIO连接器和USB连接器可以被设置在PCB板的与第一面相对的第二面。用于GPIO连接器的多个接口和用于USB连接器的多个接口均贯穿PCB板，从而分别将位于PCB板的第一面的相应的电路元件耦接到安装于PCB板的第二面上的GPIO连接器和USB连接器。

图9是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面(分布供电装置的主要线路的那一面)的平面图。图10A是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面的立体图，图10B是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第一面的平面图，其中电路元件被移除。图10C是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第二面(与第一面相对的那一面)的立体图，图10D是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备中的PCB板的第二面的平面图，其中电路元件被移除。如图9所示，供电设备中被构造在PCB板上的各个部件包括(但不限于)：电压输出、电池接口、反接保护电路、实时时钟电路、GPIO接口、MCU连接器接口1、外部电源使能、电池电压分压使能、太阳能充电器、充电切换电路、电源开关电路、USB输出接口、USB开关电路、快速充电跳线、USB输入接口、MCU连接接口2、USB ESD保护电路、USB充电器、功率路径电路、以及升压变换器等。

如上文所述，根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备具备能量收集(例如通过太阳能电池板)、电池充电(例如经由上述充电管理电路)、电池保护(例如经由上述反接保护电路)以及负载输出调节(例如经由上述供电管理电路)等功能，此外还涉及电池电压监控、多用途电源开关(例如经由上述电源开关电路及其包括的自复位按键开关)、外部传感器连接(例如经由GPIO接口和/或USB接口)和实时时钟电路。

在图示的实施例中，供电设备的PCB板可通过电池接口连接到电池模块所包括的单节3.7V锂离子电池，并能够向供电设备的负载提供5V/2.5A稳压输出以及向与其进行USB连接的设备提供USB输出。供电设备的太阳能模块可以包括用于标准18V太阳能电池板的PWM开关模式太阳能收集器，通过采用预设的最大功率点功能来最大化太阳能电池板在变化的阳光条件下产生的输出功率，从而专注于稳定性和高效率。快速充电模式支持高达3A的充电电流。当阳光不足时，可以通过充电管理电路优先使用USB充电器从Type-C接口为电池充电。PCB板上还可以包括用于指示充电状态的LED。板载LED分别指示USB充电器和太阳能充电器的充电状态。供电设备还包括许多保护功能，例如电池/太阳能反向连接保护、电池过充和放电保护、输出电压/电流限制保护、以及输入和输出连接器上的静电放电保护。

供电设备的开机/关机状态由电源开关电路控制，供电设备还经由该电路向外部控制器(例如微控制器，也称MCU)提供信号并接收来自外部控制器的信号，从而实现各种可编程的操作，例如安全关机或软件更改。如果发生软件故障，可以通过长按自复位按键开关(参见图10C)来强制关闭电源。板载分压器可通过外部信号使能以降低电池电压，适用于微控制器中的模数转换器，并允许电池电压监控。供电设备的PCB板上还包括具有报警上电功能的I2C实时时钟模块，以及带有用于外部电路/传感器的电源使能电路的通用输入/输出信号连接。

用于太阳能电池板和外部电路的10针GPIO连接器(参见图10C)以及C型USB连接器(参见图10C)都是防水的。外部可触及的电源开关之间的连接处可以用标准橡胶盖防水(参见图13A和图13B)。整个供电设备可以安装在机箱等防水壳体内(参见图13C和图13D)，以有效地分离和保护电子电路免受恶劣天气条件和雨水的影响，同时实现电源和基本命令传输到嵌入式设备(例如在其上包括MCU的主板)。

在低功耗物联网设备中，尺寸是一个重要因素，原因包括但不限于放置、隐私和实用性。为了减小供电设备的尺寸，如果集成电路芯片、电阻器和陶瓷电容器等扁平元件组与其余电路的连接对噪声不敏感，则可以将其放置在PCB板的第二面(与第一面相对的那一面)，以便它们的线路可以通过通孔传输到PCB板的第一面(分布供电装置的主要线路的那一面)。使用多于两层(位于第一面上的第一金属线路层和位于第二面上的第二金属线路层)的PCB板可以允许接地层和电源层位于内层(即位于第一金属线路层和第二金属线路层之间)，从而为信号走线和更多电路组件腾出空间。这将允许将供电设备的PCB板的外形尺寸减小到大约65mm x 30mm。通过将电池接口、电压输出、GPIO接口和USB输入/输出接口等组件以允许功率路径在PCB板上连续流动的方式来放置，以进一步减小PCB板的尺寸。此外，可以去除组件标号的所有丝网印刷标记来减小组件的占用面积从而减小PCB板的尺寸。

图12A至图12H是根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备的各部分的示意性电路图。其中，图12A涉及USB充电器芯片及相关电路，图12B涉及太阳能充电器芯片及相关电路、以及充电切换电路，图12C涉及功率路径电路、升压变换器及相关电路、以及软锁存电路(例如上文所述的电源开关电路的一个示例)，图12D涉及测量使能电路和实时时钟芯片及相关电路，图12E涉及供电设备的PCB板上的电池输入(例如上文所述的电池接口的一个示例)、电源输出(例如上文所述的电压输出的一个示例)、USB输出(用于和外部USB设备之间传输数据，例如输出位于主板上的存储器中所存储的数据)、USB输入(用于从外部USB设备，例如USB充电器，接收电能)、外部GPIO(用于通过GPIO接口连接外部设备，例如太阳能电池板等)、和MCU GPIO(用于连接到位于主板上的MCU)等，图12F涉及负脉冲生成器(例如用于根据实时时钟芯片的中断信号生成如上文所述的能够唤醒供电设备的负脉冲信号)，图12G涉及电池保护电路和USB保护电路，图12H涉及USB输出电路和USB接口图形。

根据本公开实施例的基于太阳能的供电设备可用于通过太阳能电源或USB电源安全有效地收集能量，同时为物联网和低功耗设备提供稳压输出。供电设备包含一个由一个或多个标称电压为3.7V的锂离子电池和任何总容量在2000mAh以上的锂离子电池组成的储能部分。虽然也可以使用2000mAh以下的存储组，但建议不要以大于其额定容量的充电电流为电池充电。因此，如果系统旨在收集小电流或根本不包括充电功能，则任何电池容量都是合适的。为了给电池充电，可以收集光伏能量。可用的现成18V太阳能电池板具有从小尺寸3W到大型安装200W的宽功率范围，但应该注意的是，板上的组件可以处理的最高功率输入为72W或4A，最大充电电流达到3A输入功率约为12W。在输出侧，主板/系统负载为微控制器或具有必要电路的主芯片。如今，几乎所有物联网模块都由5V供电，开发板通常具有微型USB连接，因此可以直接连接到电源管理器。2.4A电流限制适用于所有低功耗系统、微控制器甚至微处理器模块。

供电设备包括一块65mm×30mm的PCB板，该PCB板基于利用PWM开关模式拓扑结构的CN3791太阳能锂离子电池充电器IC芯片。其最大功率点功能预设为接受标准的18V太阳能电池板，18V太阳能电池板在较宽的范围内可以提供各种不同的功率输出。太阳能通过防水10针连接器提供，该连接器还包括电源、地和用于外部传感器和电路的不同的GPIO线(I2C、ADC和信号)。太阳能充电器芯片的电池充电电流由电流检测电阻决定。在实现的电路中，为了充分利用手头的太阳能，同时确保电池的安全充电，无论其容量如何，充电电流固定为2A，但可以通过相应接头引脚上的跳线提升至3A。在制造商给出的典型应用电路中增加了P沟道MOSFET，如图12B所示，以防止电池电流回流并建立输入电源的反向连接保护功能。还配备了双色LED指示芯片的充电状态：充电时为红色，电池充满时为绿色。

低功耗设备在运行期间不会消耗大量电流，但在次优充电条件下确实需要快速的能量收集能力。通常，用于低功率设备的太阳能充电器设计在相同的功率范围内，这限制了太阳能电池板的最大功率输入。然而，当设备由于日照时间有限而只能在短时间内充电并且必须在最短的时间内收集最多的能量时，使用更大的太阳能电池板通过充电管理电路为设备的电池充电的可能性至关重要。这种能力可以通过实施具有更高额定功率的组件、必要的保护电路和大铜层来实现，以确保电路板上的高效散热。为了接受来自较大太阳能电池板的更多功率/更高输入电流和电压，需要相应地选择电路中使用的元件。此外，还需要针对该功率范围实现保护功能。因此，通过选择可以接受更高电流和电压的电路元件，使得供电设备能够包括具有各种功率输出的太阳能电池板。

供电设备还集成了第二个对锂离子电池进行充电的充电器IC芯片，即USB充电器降压开关模式IP2312U，如图12A所示，可通过防水的C型USB连接器为电池充电。恒流模式下的最大充电电流由一个外部51kΩ的电阻设定为2.65A。在充电过程中，蓝色LED以0.5Hz的频率闪烁，并在电池充满电时切换到常亮。为了避免同时存在USB和太阳能电源时的危险充电行为，如图12B的充电切换电路所示，基于晶体管的自动开关通过USB电源线断开太阳能线与其充电器的连接。该电路优先考虑USB充电而不是太阳能充电，因为USB电源具有电压稳定性和高功率输入能力。

采用混合功率路径配置电路，无论太阳能或USB电源输入如何，都能连续为输出负载提供所需的电流，并保持正常的电池充电周期。通过用于USB输入的基于MOSFET的电源路径选择电路与用于太阳能输入的电流检测线作为电源输出相结合，如果负载电流消耗不高于设定的最大充电电流，则电源可以同时提供输出负载并同时为电池充电。而在负载电流消耗高于设定的最大充电电流的情况下，外部输入的电源和电池都将为输出负载提供电力。

为了在设置保护电流限值的同时为输出产生稳定的电压，实现了电流模式升压转换器MT3608L(也称升压变换器)，如图12C所示。由于锂离子电池的化学性质，其电压范围可以从4.2V降到2.4V的过放电电压。为了确保由电池供电的所有组件和电路正常运行，通过升压变换器将电压升至5V，电流限制为2.4A。

为了方便用户，电源开关直接包含在供电设备的PCB板上的输出连接器之前。如图12C所示，实现的多功能软锁存开关电路是基于自复位按键开关，例如马赛克工业(mosaicindustries)的锁存按钮。此配置允许通过短按按钮打开输出电源，并通过长按按钮将供电设备的输出关闭。同时，“SW”信号线上的外部系统可以检测到按钮按下，并且可以通过将同一条线拉低几秒钟来关闭电源。借助此功能，可以在完成关键任务后从微控制器实现安全关机，并在不同的按钮按下组合(例如单按、双击、三按等)上实现其他软件编码功能。例如，连接到SW线的MCU引脚设置为上拉输入触发器，以便检测短按按钮的下降沿。ALM线路连接到具有中断输出的实时时钟芯片，如图12D所示。当达到预编程的定时时间时，实时时钟芯片将在ALM线路上发送一个短的负脉冲。这将与按下按钮并打开系统完全相同。为了通过MCU的SW线关闭系统，首先将引脚更改为输出引脚，然后拉低以至电容C72放电，然后将Q70中的N型MOSFET的栅极拉低。

当通过C型USB连接器供电时，其相应的输出也通过按钮使能。为此，电源输出信号切换MOSFET电路让USB电源通过。C型USB的输入和micro-B USB输出之间的兼容性是通过用一个5.1kΩ电阻将CC引脚拉低至地来实现的，如图12G所示。这允许通过供电设备的PCB板的USB连接器与嵌入式系统进行数据传输。

为了确保在对电池充电/放电或从电路板上连接/断开电缆时电源线(即电池、太阳能、USB和输出)上的安全电压和电流流动，有几个保护功能：电池输入、电源输出和USB连接器上的静电放电保护二极管；用于电池和太阳能连接器的反向连接LED指示灯和截止MOSFET开关；DW06D锂离子聚合物电池保护芯片，包括过充电、过放电、过流和短路保护。此外，电池电缆使用间距为2.54mm的XH连接器，而模块的功率输出由PH-2.00mm连接器托管，以避免潜在的错误连接。当首次连接电池电源并禁用放电功能时，集成了一个微小的按钮来复位电池保护芯片。

为了便于计时并启用只能由外部中断唤醒的超低功耗睡眠模式，电源管理系统中可以包含一个持续供电的实时时钟芯片。特别是对于太阳能设备，低功耗睡眠是一个显着的优势。大多数微控制器和嵌入式系统通常已经包含低功耗休眠模式。但是，这些模式要么仍然消耗几毫安的功率，要么关闭内部实时时钟，然后丢失当前时间。通过将软锁存开关电路和包含中断功能的实时时钟芯片相结合，微控制器本身可以完全关闭系统负载，然后由实时时钟芯片自动重新打开。此操作可以经编程后循环地一次又一次地完成，因此非常适合数据记录器或其他长时间单动作操作的设备。自动唤醒是通过中断引脚实现的，该引脚在特定的预编程时间产生信号脉冲。信号线与开关电路连接以使得中断脉冲就像短按按钮一样，因此可以再次打开系统电源。这种方法可确保在断电模式下，实时时钟芯片以及少数MOSFET和无源元件是电源管理板上唯一消耗功率的元件，从而导致总功耗达到微安级。利用实时时钟电路的方法可以切断主板的电源，以降低功耗，特别是对于长时间运行而没有任何电源为系统电池充电的设备具有较大的优势。

如图12D所示，实时时钟芯片PCF8563引入了实用的计时功能。为了确保芯片与其主微控制器之间的稳定I2C通信，两个组件接受相同的电源电压。备用电源直接由主电池提供，以避免在PCB板上设置额外的纽扣电池。由于主电源电压(低功耗微控制器为3.3V)低于始终开启的电池后备电源(4.2V-3.7V)，因此需要集成一个优先电路，以便平稳切换到主微控制器电源，以实现清晰的I2C通信。对于基于二极管的标准OR电路，较高的电压被优先考虑，在这种情况下完全忽略了主电源。为了克服这个问题，放置在备用线路上的双P型MOSFET在系统导通时充当自动电源切换，并用作反向电流保护。

实时时钟芯片的定时器引脚连接到锁存开关电路，因此，利用预编程定时器中断产生的短脉冲，可以在任何所需的时间、日期或间隔使得供电设备开机。该特性可实现约200微安的超低功耗模式，在超低功耗模式中，只有升压转换器、保护电路和实时时钟消耗功率。

可以通过分压器测量电池电压，分压器将电压降压以适应微控制器ADC端口。由于此类ADC端口可由多个其他外设/功能使用，因此分压器包括一个由另一个IO引脚驱动的MOSFET使能开关。对于外部传感器/电路，采用电源使能电路以进一步优化系统的功耗。来自嵌入式系统的所有电源和GPIO信号，用于编程、控制、测量、检测和供应供电设备的PCB板上的各种电路，均通过PCB板两侧的两个表面贴装8针SH-1.0mm连接器提供。

为了通过软件适配更好地管理和优化能量收集和电源，可以使用简单的分压器来降低电池电压，以满足微控制器的ADC要求。通过这种方式，当电池电压较低时，软件可以调整其操作模式以降低设备的电流消耗。通过在主板/微控制器和供电设备的PCB板之间增加用于控制和通信线路的连接器，可以检索有用的措施，例如电池电压，充电状态和按钮按下，并且可以通过微控制器的程序相应地调整系统操作。在图12E中，两个8引脚连接器接受来自主系统微控制器的各种GPIO，以启用某些功能、测量电池电压、从实时时钟获取时间，并通过防水连接器将这些信号重定向到另一个设备。对于“输入/输出信号”，本文将信号线称为来自外部控制芯片(如微控制器)的GPIO引脚。通过允许控制芯片访问某些测量或电路使能选项，供电设备成为整个系统中的可控部件。供电设备和主系统(例如包括微控制器的主板)之间的通信还允许微控制器根据供电设备提供的有关电池电压水平、充电状态等信息调整其操作。

上文所述的供电设备可以用于各种物联网设备、或放置于户外的电子设备以对其供电。本公开还提出了一种放置于户外的环境监测设备，包括如前文所述的供电设备。供电设备被设置在便携式防水外壳中，与例如openMV嵌入式机器视觉模块一起运行，以进行环境监测。图11是根据本公开实施例的环境监测设备的示意性框图。环境监测设备包括防水的壳体，设置在壳体内的用于对环境监测设备供电的供电设备(其包括供电设备PCB板、实时时钟芯片、电池盒以及在其中容纳的一个或多个电池等)和用于控制环境监测设备的主板(包括设置在其上的控制器和存储器等)，以及设置在壳体外的用于收集太阳能的太阳能板、用于感测环境数据的各种传感器、防水的GPIO连接器、防水的USB连接器和防水的自复位按键开关。其中，太阳能板通过GPIO连接器与供电设备PCB板耦接，传感器通过GPIO连接器与控制器耦接，USB连接器和自复位开关均与供电设备PCB板耦接。控制器耦接到实时时钟芯片以便对其进行编程，电池通过电池盒与供电设备PCB板的电池接口耦接到供电设备PCB板。供电设备PCB板通过GPIO连接器为控制器和传感器供电。

设置在壳体外的用于感测环境数据的传感器可以包括带有图像传感器的相机，用于捕获外部环境的图像，例如环境中的动物和/或植物的图像，这使得环境监测设备能够从所监测的环境中收集视觉数据。传感器还可以包括麦克风，用于捕获外部环境的声音，这使得环境监测设备能够从所监测的环境中收集听觉数据。麦克风可以选自多个具有不同声学特性的麦克风(例如但不限于，一些麦克风可以具有在超声频率处的较好敏感度或较低噪声，一些麦克风可以具有压电设计以具有更高鲁棒性，等等)，从而允许针对特定环境选择合适的麦克风。传感器还可以包括一个或多个环境传感器。环境传感器可以被配置为感测外部环境的性质。环境传感器可以包括用于感测空气性质的传感器(例如但不限于温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器等)、用于感测土壤性质的传感器(例如但不限于温度传感器、湿度传感器、PH传感器等)、用于感测水源性质的传感器(例如但不限于温度传感器、湿度传感器、PH传感器等)、用于感测地理位置的传感器(例如但不限于GPS传感器等)中的一个或多个。

壳体例如可以由任何合适的防水材料构成。对于任何安装在壳体上(不在壳体所限定的内部空间中，而是例如被安装在壳体上的开口中)的部件，例如上述GPIO连接器、USB连接器、自复位按键开关等，在该部件与壳体之间均可以设置防水密封(例如橡胶圈等)，以防止水气从该部件与壳体之间的缝隙进入壳体内部。壳体可以被设计为坚固耐久的。在一些实施例中，壳体可以包括金属材料和/或塑料，并且涂覆有保护涂层以防腐蚀。在一些实施例中，壳体可以具有多件式结构，例如壳体可以由前壳体部分和后壳体部分组合而成，或者由上壳体部分和下壳体部分组合而成，以便在各部分的接合处打开壳体而到达壳体的内部空间，并且在各部分的接合处设有防水密封。防水的壳体使得环境监测设备能够部署于各种各样的环境条件(无论是陆上环境系统还是水下环境系统)，并且使得环境监测设备能够抵御各种各样的天气条件(无论晴雨)。

主板上设置的控制器可以与设置在壳体外的用于感测环境数据的各种传感器通信，例如通过GPIO接口。例如，传感器可以包括带有图像传感器的相机，控制器可以从相机接收图像数据并通过机器学习模型分析图像数据。控制器例如可以包括但不限于中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等、其组合、或本领域已知的任何其他合适的计算设备。在一些实施例中，控制器可以通过机器学习模型分析图像数据以识别图像中的对象。可以在环境监测设备安装好之后，利用USB连接器使用外部计算机设备将机器学习模型配置在控制器中；也可以在组装环境监测设备前，将机器学习模型配置在控制器中。除相机之外，控制器还可以与一个或多个上述其他的传感器通信，以从相应的传感器接收数据并分析数据。

在一些实施例中，控制器可以包括专用于分析来自相机的图像数据的基于STM32微控制器的核嵌入式机器视觉板，例如由openMV提供的H7+机器视觉板。在使用openMV H7+机器视觉板的实施例中，还可以选择被设计用于与该机器视觉板兼容的成像传感器板(例如，由OMNIVISION提供的OV5645)来与该机器视觉板组合使用。该机器视觉板可以通过开源的openMV集成开发环境(IDE)利用microPython语言容易地编程，从而允许使用各种各样的机器视觉算法，诸如但不限于帧差法、斑点检测和tensorflow Lite模型等。在环境监测设备的壳体中嵌入控制器允许对所检测到的图像数据和其他环境数据的实时分析。通过设置控制器，可以使环境监测设备在从环境采集数据的基础上，进一步具有计算能力。

实时时钟芯片可以具有单独的供电电源，即不需要供电设备为其提供电力，尽管在图示的实施例中实时时钟芯片被设置在供电设备的PCB板上。具有单独的供电电源的实时时钟芯片，可以总是为系统提供实时时间。控制器可以与实时时钟芯片通信，例如经由I2C，以获得时间数据。此外，如上文所述地，来自实时时钟芯片的中断可以使得处于关机状态的供电设备被开机以为环境监测设备供电。在一个具体的示例中，在完成一次监测操作(包括传感器采集数据、控制器收集和分析数据、存储器存储数据)之后，控制器可以通过软关机(也称安全关机)功能使得供电设备完全切断对负载(包括各种传感器和主板)的供电以使得环境监测设备进入低功耗模式，并且在软关机之前控制器对实时时钟芯片进行配置以使得其在期望的下次进行监测操作的时间(例如5分钟后)产生中断。如此，当被设置的中断时间到来，实时时钟芯片的相应管脚产生中断，如上文结合图7和图12C所描述的，该中断导致供电设备开启对负载的供电，从而传感器可以开始采集数据，控制器可以进行数据收集和计算等操作。需要说明的是，控制器不需要每次在进入低功耗模式之前对实时时钟芯片进行配置，而是可以在系统初始化的时候进行总配置，例如配置实时时钟芯片每5分钟产生一次上述唤醒中断。

主板上设置的存储器可以用于存储传感器采集的数据，例如图像数据、音频数据、环境数据等。存储器耦接到控制器，以便控制器对这些数据进行读取，并写入控制器的计算分析结果。存储器可以采取任何合适的形式，包括但不限于SD卡等。在一些实施例中，存储器可以将图像数据、音频数据和/或环境数据相关联地一起集成到数据库中，以供终端用户使用。在一些实施例中，存储器还可以将传感器采集的这些数据与相应的时间数据相关联地存储。存储器可以是可移除的或不可移除的。设置在壳体上的USB连接器不仅包括通过USB接口提供电力的功能，还可以包括通过USB接口传输数据的功能。USB连接器可以通过USB接口耦接到存储器，从而允许外部设备经由USB数据连接器访问存储器。除了USB数据传输之外，环境监测设备还可以包括其他的通信模块，例如进行WLAN、WiFi、GSM/GPRS、蓝牙、LoRa等通信方式中的一种或多种的无线网络模块，以便与外部的计算设备(例如智能手机、个人电脑、控制中心平台、中央服务器等)进行通信，从而可以将存储的数据(包括采集的原始数据和控制器的计算分析结果等)传输给外部计算设备，也可以从外部计算设备接收数据或命令等。在这些情况下，环境监测设备中的控制器可以不对原始数据进行分析计算，而是由外部计算设备进行；或者可以由控制器和外部计算设备共同进行数据分析。

图13A至图13D是根据本公开实施例的环境监测设备的示意性实物图。环境监测设备可以以不同的姿态被安装在支撑架上，支撑架可以包括但不限于三脚架、吊架、夹具、柔性臂等等，这可以便于环境监测设备的灵活部署。环境监测设备包括位于防水的壳体1302上方的太阳能电池板1301以便收集太阳能。防水的GPIO连接器1305、防水的USB连接器1303和防水的自复位按键开关1304设置在壳体1302外并伸入壳体1302，从而分别与供电设备PCB板上的GPIO接口、USB接口和自复位按键开关相耦接。不具有防水功能的供电设备PCB板1306、电池盒1308以及容纳在其中的电池1309、以及包括控制器和存储器等的主板1307均设置在壳体1302内，以避免环境的侵害。在环境监测设备使用openMV嵌入式机器视觉模块的情况下，主板1307可以是openMV板。为了在壳体1302内容纳供电设备PCB板1306和主板1307等，同时使得供电设备PCB板1306和主板1307能够访问外部连接器和电源开关，在壳体1302开设了用于GPIO连接器和USB连接器穿过的孔、以及用于按键开关穿过的孔。

在图示的实施例中，由主板1307形成的主系统是一个带有集成WiFi低功耗微控制器的开发板，该微控制器具有用于编程的微型USB连接器和用于电源输入的5V-GND引脚组。这些端口以及由四个并联电池组成的储能装置直接与供电设备PCB板连接。在壳体1302的外部，太阳能电池板电源和环境传感器通过兼容的防水插头连接到多针GPIO连接器。由于微控制器和传感器之间的通信通常使用I2C协议传输，该协议可以在GPIO连接器两条数据线上接受多个外设，因此环境监测设备可以扩展为包括使用相同通信协议的其他传感器。此外，外部设备，例如个人计算机，可以通过USB连接器对主系统的数据存储或闪存进行写入和读取访问，例如下载图像或将新程序上传到微控制器，这有利于环境监测设备的调试或部署。同时，如有必要，USB连接器可以连接USB电源(例如USB充电器等)来为电池充电。

上文所述的供电设备可以为openMV板提供稳定的5V电源输出，不受电池或任何外部电源(USB或太阳能)的影响，并且可以通过按键开关容易地打开和关闭。为避免在微控制器写入或读取SD卡(设置在主板上)时系统电源被关闭导致文件损坏，可以通过按下按钮的信号来实现“安全关机”功能。例如，如上文所述的，在供电设备处于供电状态时，如果用于以特定模式按下按键开关(例如连续短按两下)，控制器可以通过与SW线连接的引脚(在图12E所示的示例中为引脚P9)检测到该特定模式的操作，例如检测到SW线上的电压信号在短时间内具有连续两个负脉冲。响应于检测到按键开关的特定模式的操作，控制器可以在结束读写操作之后将该检测引脚设置为输出引脚，然后拉低该引脚的电平，从而使得电容C72经由电阻R72和R74放电，导致Q70中N型MOSFET和P型MOSFET先后关断，从而实现安全关机。

尽管环境监测设备的计算机视觉系统由微控制器处理，但即使在低功耗模式下，其功耗对于电池供电的设备来说仍然很高。调整openMV板以进行连续的环境监测，需要在增加电能容量的同时降低功耗。通过实时时钟，系统在设置唤醒警报中断并将后续需要的数据保存在SD卡上后，可以直接断电，从而实现200uA耗电电流的超低功耗模式。可以通过增加电池盒中的电池的数量来增大电能容量，例如通过增大电池盒。但在环境监测设备的防水壳体的体积有限的情况下，可以通过设置可充电电池来增加系统的能量容量。由于环境监测设备可能被设置于野外，无法使用电源插座或USB充电装置，因此可以收获的最有效的可再生能源是太阳能。供电设备可以提供高达3A的电池充电电流，可在阳光充足的情况下由小型10W 18V太阳能电池板提供。

环境监测设备的传感器可以包括温度/湿度传感器、天气传感器、土壤传感器、摄像机、以及麦克风等。为了在主板/供电设备和这些通常使用I2C通信的模块之间供电、编程和传输数据，主要用于太阳能输入的10针防水GPIO连接器还包括来自升压转换器的5V电源、来自微控制器系统稳压器的3.3V、I2C通信线路、模数转换器信号、2个通用输入输出端口和一个带开关的接地信号，以用于在不需要时禁用外部传感器或模块。

本公开提出的环境监测设备可以显着改善基于可再生能源的嵌入式设备的能量收集效率和功耗，其中的供电设备易于集成到防水外壳中，可以使用太阳能电池板和/或USB充电设备快速安全地为电池充电。

在说明书及权利要求中的词语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高”、“低”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“之上”的特征，此时可以描述为在其它特征“之下”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

在说明书及权利要求中，称一个元件位于另一元件“之上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、“耦接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件之上、直接附接至另一元件、直接连接至另一元件、直接耦合至另一元件、直接耦接至另一元件或直接接触另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“之上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件、“直接耦接”至另一元件或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书及权利要求中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。本文中使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (26)

1.一种基于太阳能的供电设备，被配置为通过电压输出对负载供电，包括：

电池模块，被配置为耦接到电压输出；

第一电压输入，被配置为接收来自太阳能模块的第一电压；

第二电压输入，被配置为接收比第一电压低的第二电压；以及

充电管理电路，包括：

耦接在第一电压输入和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路；

耦接在第二电压输入和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路；和

充电切换电路，其中，充电切换电路被配置为：

响应于第二电压输入未接收到第二电压，将第一电压输入接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及

响应于第二电压输入接收到第二电压，将第一电压输入从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。

2.根据权利要求1所述的供电设备，其中，充电切换电路包括：

第一开关元件，耦接在第一电压输入和第一充电电路之间；

第二开关元件，耦接到第二电压输入和第一开关元件，其中，

第二开关元件被配置为：

响应于第二电压输入未接收到第二电压，呈现第一开关状态，以使得第一开关元件导通；以及

响应于第二电压输入接收到第二电压，呈现第二开关状态，以使得第一开关元件关断。

3.根据权利要求2所述的供电设备，其中，

第一开关元件包括第一P型MOSFET，第一P型MOSFET的源极耦接到第一电压输入、其漏极耦接到第一充电电路；

第二开关元件包括第一N型MOSFET，第一N型MOSFET的栅极耦接到第二电压输入、其源极接地、其漏极耦接到第一P型MOSFET的栅极，以使得：

响应于第二电压输入未接收到第二电压，第一N型MOSFET的栅源电压不大于第一N型MOSFET的开启电压，第一N型MOSFET关断，以使得第一P型MOSFET的栅极电压处于较低的电位，第一P型MOSFET的栅源电压小于第一P型MOSFET的开启电压，第一P型MOSFET导通；以及

响应于第二电压输入接收到第二电压，第一N型MOSFET的栅源电压大于第一N型MOSFET的开启电压，第一N型MOSFET导通，以使得第一P型MOSFET的栅极电压处于较高的电位，第一P型MOSFET的栅源电压不小于第一P型MOSFET的开启电压，第一P型MOSFET关断。

4.根据权利要求3所述的供电设备，其中，充电切换电路还包括：

PNP型双极型晶体管；和

第一电阻，

其中，PNP型双极型晶体管的基极耦接到第一N型MOSFET的漏极、其发射极耦接到第一电压输入、其集电极通过第一电阻接地，

并且其中，第一P型MOSFET的栅极耦接到PNP型双极型晶体管的集电极和第一电阻之间。

5.根据权利要求1所述的供电设备，其中，第一电压为第二电压的三倍或更多倍。

6.根据权利要求1所述的供电设备，其中，第二电压来自USB模块。

7.根据权利要求6所述的供电设备，其中，第一电压为大致18V或更高，第二电压为大致5V。

8.根据权利要求1所述的供电设备，还包括耦接到电压输出的供电管理电路，其中，供电管理电路包括：

耦接在第一电压输入和电压输出之间的第一供电电路；

耦接在第二电压输入和电压输出之间的第二供电电路；

耦接在电池模块和电压输出之间的第三供电电路；以及

供电切换电路，供电切换电路包括第三开关元件，其中，第三开关元件被配置为：

响应于第二电压输入接收到第二电压而关断，以使得第一供电电路和第三供电电路断开，从而使得供电管理电路只使用第二电压对负载供电；以及

响应于第二电压输入未接收到第二电压而导通，以使得第一供电电路和第三供电电路接通，从而使得供电管理电路使用第一电压和/或电池模块对负载供电。

9.根据权利要求8所述的供电设备，其中，

第一充电电路包括太阳能充电器，太阳能充电器的外部电源正极输入端耦接到第一电压输入、其电池正极连接端耦接到电池模块、其充电电流检测正输入端经由检测电阻耦接到其电池正极连接端，

第一供电电路将太阳能充电器的充电电流检测正输入端经由第三开关元件耦接到电压输出，

第三供电电路将电池模块经由检测电阻和第三开关元件耦接到电压输出。

10.根据权利要求8所述的供电设备，其中，第三开关元件包括第二P型MOSFET，其中，第二P型MOSFET的源极耦接到电压输出、其漏极耦接在第一供电电路和第三供电电路两者上、其栅极耦接到第二电压输入。

11.根据权利要求8所述的供电设备，还包括耦接在供电管理电路与电压输出之间的电源开关电路，其中，电源开关电路包括：

自复位按键开关；

第四开关元件，耦接在供电管理电路与电压输出之间并且耦接到自复位按键开关；

第五开关元件，耦接到第四开关元件，其中，

第四开关元件被配置为：响应于第四开关元件处于关断状态并且自复位按键开关被按下而导通，

第五开关元件被配置为：响应于第四开关元件导通而导通，以使得第四开关元件被锁存于导通状态。

12.根据权利要求11所述的供电设备，其中，电源开关电路还包括：

电压节点，被配置为其电位能够被控制器检测并且其电位能够被控制器设置，其中，

所述电压节点经由自复位按键开关接地，并且所述电压节点耦接到第五开关元件以控制第五开关元件的通断。

13.根据权利要求11所述的供电设备，其中，第四开关元件还耦接到第三电压输入，其中，

第四开关元件还被配置为：响应于第三电压输入为特定模式而导通。

14.根据权利要求11所述的供电设备，其中，

第四开关元件包括第三P型MOSFET，第三P型MOSFET的源极耦接到供电管理电路、其漏极耦接到电压输出、其栅极经由自复位按键开关接地，

第五开关元件包括第二N型MOSFET，第二N型MOSFET的源极接地、其漏极耦接到第三P型MOSFET的栅极、其栅极耦接到第三P型MOSFET的漏极。

15.根据权利要求14所述的供电设备，其中，电源开关电路还包括：

电压节点，被配置为在电源开关电路导通时具有初始电位，并且其初始电位的降低能够被控制器检测，并且其电位能够被控制器设置为比初始电位更高的电位，其中，

所述电压节点经由自复位按键开关接地并且所述电压节点耦接到第二N型MOSFET的栅极。

16.根据权利要求15所述的供电设备，其中，第三P型MOSFET的栅极还耦接到第三电压输入，以使得第三P型MOSFET响应于第三电压输入的电位降低而导通。

17.根据权利要求16所述的供电设备，还包括实时时钟电路，其中，第三电压输入耦接到实时时钟电路的中断输出。

18.根据权利要求1所述的供电设备，还包括耦接在第一电压输入和电池模块之间的反接保护电路，其中，反接保护电路包括：

第二N型MOSFET，第二N型MOSFET的栅极耦接到第一电压输入的正极、其漏极耦接到第一电压输入的负极、其源极耦接到电池模块的负极；以及

发光二极管，发光二极管的阳极耦接到第一电压输入的负极、其阴极耦接到第一电压输入的正极。

19.根据权利要求18所述的供电设备，还包括用于GPIO连接器的多个接口，其中，第一电压输入的正极和第一电压输入的负极由用于GPIO连接器的多个接口中的相应接口提供。

20.根据权利要求1所述的供电设备，还包括：

电池盒，被配置为容纳一个或多个可充放电的电池；

PCB板，被配置为与电池盒分离并通过电池接口耦接到电池盒；

自复位按键开关，耦接到电压输出；

用于GPIO连接器的多个接口；以及

用于USB连接器的多个接口，其中，

电池模块包括电池接口和所述一个或多个可充放电的电池，

第一电压输入耦接到用于GPIO连接器的多个接口中的相应接口以接收来自太阳能模块的第一电压，

第二电压输入耦接到用于USB连接器的多个接口中的相应接口以接收第二电压，并且其中，

电池接口、第一电压输入、第二电压输入和充电管理电路被设置在PCB板的第一面，

自复位按键开关被设置在PCB板的与第一面相对的第二面，

用于GPIO连接器的多个接口和用于USB连接器的多个接口均贯穿PCB板，从而分别将位于PCB板的第一面的相应的电路元件耦接到安装于PCB板的第二面上的GPIO连接器和USB连接器。

21.一种环境监测设备，包括：

防水的壳体；

传感器，被配置为感测环境数据；

太阳能板，设置于所述壳体之上；以及

供电设备，设置于所述壳体内，所述供电设备被配置为对所述传感器供电，

其中，所述供电设备包括：

电池模块，被配置为耦接到电压输出；

第一电压输入，被配置为接收来自所述太阳能板的第一电压；

第二电压输入，被配置为接收比第一电压低的第二电压；以及

充电管理电路，包括：

耦接在第一电压输入和电池模块之间并被配置为使用第一电压对电池模块充电的第一充电电路；

耦接在第二电压输入和电池模块之间并被配置为使用第二电压对电池模块充电的第二充电电路；和

充电切换电路，其中，充电切换电路被配置为：

响应于第二电压输入未接收到第二电压，将第一电压输入接通至第一充电电路，以使得充电管理电路只使用第一电压对电池模块充电；以及

响应于第二电压输入接收到第二电压，将第一电压输入从第一充电电路断开，以使得充电管理电路只使用第二电压对电池模块充电。

22.根据权利要求21所述的环境监测设备，还包括防水的GPIO连接器，其中，所述供电设备经由所述GPIO连接器耦接到太阳能板。

23.根据权利要求21所述的环境监测设备，还包括防水的USB连接器，其中，第二电压输入耦接到所述USB连接器。

24.根据权利要求21所述的环境监测设备，其中，所述供电设备还包括耦接到电压输出的供电管理电路，其中，供电管理电路包括：

耦接在第一电压输入和电压输出之间的第一供电电路；

耦接在第二电压输入和电压输出之间的第二供电电路；

耦接在电池模块和电压输出之间的第三供电电路；以及

供电切换电路，供电切换电路包括第三开关元件，其中，第三开关元件被配置为：

响应于第二电压输入接收到第二电压而关断，以使得第一供电电路和第三供电电路断开，从而使得供电管理电路只使用第二电压对负载供电；以及

响应于第二电压输入未接收到第二电压而导通，以使得第一供电电路和第三供电电路接通，从而使得供电管理电路使用第一电压和/或电池模块对负载供电。

25.根据权利要求24所述的环境监测设备，其中，所述供电设备还包括耦接在供电管理电路与电压输出之间的电源开关电路，其中，电源开关电路包括：

自复位按键开关；

第四开关元件，耦接在供电管理电路与电压输出之间并且耦接到自复位按键开关；

第五开关元件，耦接到第四开关元件，其中，

第四开关元件被配置为：响应于第四开关元件处于关断状态并且自复位按键开关被按下而导通，

第五开关元件被配置为：响应于第四开关元件导通而导通，以使得第四开关元件被锁存于导通状态。

26.根据权利要求25所述的环境监测设备，还包括：

设置于所述壳体内的控制器，其中，

所述供电设备还被配置为对所述控制器供电，

电源开关电路还包括：

电压节点，被配置为其电位能够被所述控制器检测并且其电位能够被所述控制器设置，其中，

所述电压节点经由自复位按键开关接地，并且所述电压节点耦接到第五开关元件以控制第五开关元件的通断。