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一、 系統總體架構與工作流程
系統利用閥門旋轉的機械能發電，并儲存到儲能元件中，為整個電子系統供電。電子系統監測閥門旋轉的絕對角度，并通過無線方式將狀態變化上傳。
1. 機械旋轉：用戶轉動閥門手柄。
2. 能量轉換：手柄的旋轉通過齒輪箱驅動微型發電機，產生交流或直流電。
3. 電能處理：產生的電能經過整流、穩壓后，給儲能單元（超級電容/電池）充電。
4. 狀態感知：安裝在轉軸上的磁鐵隨之旋轉。磁角度傳感器芯片非接觸地讀取磁場變化，計算出絕對角度（0-360°）。
5. 智能處理與傳輸：低功耗MCU讀取角度值。當檢測到角度發生顯著變化或達到定時上報時間時，MCU喚醒無線模塊，將閥門狀態數據發送出去。
6. 深度休眠：完成所有任務后，整個系統進入超低功耗的深度睡眠模式，等待下一次被旋轉事件或定時器中斷喚醒。
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二、 機械結構設計
這是實現自發電的關鍵，需要精心設計。
1. 發電機選型與連接：
· 推薦部件：采用 微型直流齒輪電機 （常用在玩具車或模型上）。齒輪箱可以增加扭矩，使得在慢速旋轉手柄時也能有效發電。
· 規格建議：工作電壓3.3V-5V，帶有減速齒輪箱。注意：電機作為發電機使用時，輸出電壓和轉速成正比。
· 連接方式：
· 方式A（直接連接）：如果閥門手柄的軸可以延長，則通過聯軸器將發電機與閥軸直接相連。效率最高，但安裝可能不便。
· 方式B（摩擦連接）：在閥門手柄上套一個摩擦輪，使其與安裝在發電機軸上的齒輪摩擦接觸。安裝靈活，但可能存在打滑。
· 方式C（傳動帶連接）：類似方式B，但使用小皮帶傳動，更可靠。
2. 磁鐵安裝：
· 在閥門手柄的轉軸上（發電機同一根軸），粘貼一個徑向充磁的釹鐵硼強磁鐵（例如?6x3mm）。
· 確保磁鐵與傳感器芯片的距離在2-5mm以內，且磁鐵在旋轉時正對傳感器芯片中心。
3. 外殼：
· 使用3D打印設計一個防水外殼，將發電機、電路板固定其中，并留出與閥門手柄連接的機械接口。
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三、 硬件電路設計 (核心電路框圖)
```mermaid
graph TD
A[微型發電機] --> B[整流橋]
B --> C[電源管理電路]
C --> D[儲能單元: 超級電容]
D --> E[LDO穩壓: 3.3V]
E --> F[低功耗MCU]
E --> G[磁角度傳感器]
E --> H[LoRa無線模塊]
F <--> G
F <--> H
I[磁鐵] -- 磁場變化 --> G
```
1. 發電與電源管理電路： * 整流橋：發電機輸出可能是交流，需經過一個微型全橋整流電路（MB6S貼片橋堆）變為直流。 * 儲能單元：推薦使用5.5V 1F 的法拉電容/超級電容。它循環壽命長、充放電快，非常適合這種頻繁、短時充放電的場景。比鋰電池更安全耐用。 * 充電管理：一個簡單的二極管（如1N5817） 和 限流電阻 即可防止電容的電能倒灌回發電機。更專業的可以用能量收集芯片如LTC3588-1，但成本較高。 * 穩壓：超級電容電壓會變化（例如2V-4V），需要一顆超低靜態電流的LDO穩壓芯片（如TI的TPS7A02，靜態電流僅25nA）為后級MCU和傳感器提供穩定的3.3V電壓。
2. 傳感與主控電路： * MCU：STM32L071是極佳選擇。它基于超低功耗Cortex-M0+內核，擁有多種低功耗模式，在停止（Stop）模式下功耗可低于1μA，且外設豐富。 * 角度傳感器：AMS AS5600或 AS5048A。它們是12位高分辨率磁編碼器，通過I2C或PWM輸出絕對角度值，工作電流約1mA，待機電流更低。
3. 通信電路： * 無線模塊：推薦使用LoRa模塊（如E22-400T22S或EByte的E78系列）。LoRa以其遠距離和低功耗著稱，非常適合地下車庫等環境。發射時電流較大（~100mA），但持續時間極短（幾十毫秒至幾百毫秒），之后立即關閉，平均功耗很低。
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四、 軟件邏輯流程
軟件的核心是 “事件驅動” 和 “最大化休眠”。
```mermaid
flowchart TD
A[系統上電初始化] --> B[配置所有外設
設置IO狀態、定時器]
B --> C[讀取AS5600角度值]
C --> D[角度變化超過閾值?]
D -- 否 --> E[達到定時上報時間?]
D -- 是 --> F[記錄新角度值]
E -- 否 --> G[進入Stop深度睡眠模式
（等待中斷）]
G -- 被旋轉事件或定時器喚醒 --> C
F --> H[喚醒LoRa模塊]
E -- 是 --> H
H --> I[通過LoRa發送數據包
（包含角度、電量等）]
I --> J[關閉LoRa模塊電源]
J --> G
```
1. 中斷喚醒源： * EXTI（外部中斷）：將磁編碼器的中斷引腳（如果有，如AS5048A的PROG引腳可配置為報警輸出）連接到MCU的EXTI引腳。當磁鐵旋轉導致磁場變化超過一定閾值時，硬件自動產生中斷，瞬間喚醒MCU。這是最高效的方式。 * 定時器中斷：即使閥門一直不動，系統也應定時（例如每24小時）上報一次狀態和電容電壓（相當于系統健康狀態），防止因故障導致“死機”的假象。
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五、 關鍵實現細節與注意事項
1. 功耗預算：
· 休眠電流：MCU（~1μA） + LDO（~25nA） + 傳感器（~1μA） ≈ 2μA。這是系統待機的底線。
· 工作電流：MCU（~2mA） + 傳感器（~1mA） ≈ 3mA（讀取角度時）。
· 發射電流：LoRa模塊（~120mA for ~500ms）。這是最耗電的階段。
· 發電能力：需要測試旋轉一圈閥門能給超級電容充入多少能量（mJ）。確保發電量 > （一次測量+一次發射的總耗電量）。
2. 數據包設計： 無線數據包應盡可能小，以縮短發射時間，節省能量。例如：
設備ID (2Byte) 閥門角度 (2Byte) 電容電壓 (1Byte) 狀態標志 (1Byte)
0xAA01 0x0E10 (3600 -> 360.0°) 0xDC (2.2V) 0x01 (開關事件觸發)
3. 防水與密封：
· 整個傳感單元需要安裝在防水等級IP67及以上的外殼中。
· 所有出線孔（如發電機軸）需要使用橡膠防水格蘭頭或密封膠進行密封。
4. 磁鐵校準：
· 代碼中需要加入磁鐵校準程序。上電后，讓閥門在全開和全關之間緩慢旋轉一圈，記錄磁編碼器讀數的最大值和最小值，用于后續的線性映射，消除安裝誤差。
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