基于nRF9151芯片组开发一种先进的环境监测设备

这是一个独立的太阳能远程气候监测节点，可以跟踪环境数据，进行实时气候洞察和研究。

该项目涉及围绕北欧半导体nRF9151芯片组开发一种先进的环境监测设备。目标是创建一个能够在偏远和离网地区收集环境数据的自我维持系统，在这些地区，传统的网络基础设施(如WiFi)可能不可用或不可靠。该设备将利用各种环境传感器收集二氧化碳(CO2)水平、大气压力和其他关键环境指标等参数的数据。通过QWIIC连接器促进传感器连接，为传感器集成提供灵活性。虽然目前没有集成传感器，但该设计包括四个QWIIC连接器，其中两个是必不可少的，另外两个是未来扩展的附加连接器。

该设备配备了LTE连接和SIM卡连接器，可以通过蜂窝网络实现无缝数据传输。这种功能确保了从传感器收集的环境数据可以发送到中央基站，即使在WiFi连接有限或没有WiFi连接的地区也是如此。这使得该系统成为偏远地区环境研究应用的理想选择。

该设备的突出特点之一是它能够使用全球导航卫星系统(GNSS)传感器确定其地理位置。GNSS传感器提供精确的位置数据，确保环境读数可以进行地理标记，这对于需要空间感知的应用至关重要。

该设备被设计为自我维持，这意味着它可以自主运行，不需要外部电源或频繁的维护。它由一个双源系统供电，包括一个用于直流电源适配器供电的Type-C输入和一个太阳能电池板。太阳能电池板用于给设备的车载电池充电，确保它即使在没有常规电源的地区也能保持运行。太阳能收集系统集成了一个高效的电源管理解决方案，使用北欧nPM1300，处理电池充电、监控和整体配电。nPM1300通过太阳能电池板和Type-C输入确保最佳的电池充电，即使在一个电源不可用的情况下也能保持不间断的运行。双电源输入功能通过外部电路实现，提供无缝切换和增强的系统可靠性。虽然该设备配备了Type-C输入，用于偶尔充电，但它的主要设计是自主运行，从集成的太阳能电池板获取电力。这确保了系统的自我维持能力，使其能够独立运行而不需要连续的外部电源。

为了优化功耗，系统采用休眠电源模式，允许设备在不活动期间进入超低功耗状态。这在传感器数据周期性传输的情况下特别有用，可以降低整体能耗并延长电池寿命。此外，太阳能电池板的健康监测是通过在两个模拟引脚之间放置一个分流电阻来实现的，从而可以连续跟踪发电效率和系统性能。

从环境传感器收集的数据定期进行，所有传感器数据通过LTE网络传输到中央基站进行进一步分析。除了环境数据外，该系统还将健康指标(如太阳能电池板健康状况、电池状态和充电水平)传输到基地。这允许实时监控系统的性能，以及早期发现电力系统或传感器的任何潜在问题。

该设备的自我维持特性，再加上其远程连接和实时数据传输，使其成为传统电力基础设施缺失或不可靠地区应用的理想解决方案。即使在最偏远或恶劣的环境中，它也能实现连续、实时的环境监测。

相对于现有解决方案的主要优势

虽然目前有各种各样的环境监测系统，但该设备的自我维持和远程功能使其在几个关键方面有别于传统解决方案：

自我维持电力系统：大多数现有的环境监测设备依赖于固定的电源，如AC/DC适配器，需要定期维护或依赖于附近的电力基础设施。然而，该系统采用双电源输入系统：Type-C通过直流适配器充电，太阳能电池板持续为电池充电，使设备能够在离网位置自主运行。太阳能电池板的加入大大减少了维护需求，因为它消除了频繁更换电池或手动充电的需要，而这通常是现有解决方案的限制。

使用LTE连接进行数据传输：传统的环境传感器通常依靠WiFi或蓝牙进行数据传输，这限制了它们在WiFi基础设施可能不可用的偏远地区的可用性。该系统的突出之处在于集成了外部LTE模块和SIM卡连接器，使设备能够通过蜂窝网络发送实时数据。这一功能确保了即使在几乎没有WiFi覆盖的地区也能传输数据，使其高度适应偏远或恶劣的环境。

远程监控电源运行状况：与许多现有设备只是简单地收集和传输环境数据不同，该系统还包括对其电源的实时监控。nPM1300电源管理系统不仅可以控制电池充电，还可以跟踪电池的健康状况。电池状态、其他参数监测和整体系统电源状态的数据被传输到基站，允许主动维护，并确保设备即使在电源相关问题的情况下也能保持运行。同样，太阳能电池板电源健康数据也被传输，确保设备健康的远程监控。

GNSS的地理位置感知：许多环境监测设备无法整合位置跟踪，这对于需要对收集的数据进行精确地理标记的应用程序来说是一个至关重要的功能。该系统通过集成GNSS传感器解决了这个问题，该传感器允许设备准确地确定其地理位置。该功能对于跟踪不同地点的环境条件至关重要，特别是对于农业监测，野生动物跟踪和不同环境中的研究等应用。

自主和连续操作：大多数当前的解决方案需要定期的人工干预来进行充电、维护或数据检索。然而，该系统是为连续自主操作而设计的。它定期收集环境数据，并通过LTE传输，无需人工干预。太阳能充电、LTE数据传输和电源管理的结合确保了设备以完全自主的方式保持运行，从而降低了运营成本和人为监督。

在恶劣环境下的长期部署：由于电源有限和需要频繁维修，现有的解决方案往往难以在偏远或恶劣条件下进行长期部署。该系统集成了太阳能和强大的电源管理功能，能够以最少的维护进行长期部署。它特别适合在电力供应有限或经常停电的地区进行环境监测。

可扩展性和灵活性：基于nrf9151的自维持环境传感器设备具有灵活和可扩展的部署能力，可适应各种网络需求。通过支持NB-IoT、LTE、蓝牙(BLE)、Zigbee和Mesh，以及未来的NTN集成，该系统可以部署在各种环境中，提供最佳的连接选择。在需要远程通信的场景下，LTE或NB-IoT可以确保数据的无缝传输。但是，对于短距离应用，可以利用BLE，大大降低功耗和网络依赖性。当在局部区域内部署多个设备时，Mesh网络可以将传感器互连起来，从而实现高效的数据中继，而无需依赖于直接的LTE连接。这种方法通过有效地分配通信负载，优化了功耗，降低了成本，提高了网络可靠性。通过这种自适应连接策略，该系统保持了高度的可扩展性，使其适用于小规模环境监测以及远程或城市地区的大规模传感器部署。能够添加更多的环境传感器(通过额外的QWIIC连接器)，并通过太阳能电池板和Type-C输入有效地管理电源，确保该设备可以适应各种用例，从偏远地区的小规模监测到大规模的环境网络。

本文编译自hackster.io