芯耀
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我很好奇如何在户外运行树莓派，所以我做了一些研究。如果你考虑尝试一下，或者你已经遇到了像无线网络弱或电池不耐用这样的问题，本指南将汇总我发现的一些最佳建议。
树莓派可以在户外和离网情况下运行，方法是选择低功耗型号，测量实际功率消耗，添加合适的电池或UPS，选择合适的太阳能电池板阵列，使用可靠的网络选项，并使用防风雨外壳保护。
如果你想避免同样的错误，并构建一个真正能在户外运行的项目，请跟随我的步伐。我将带你逐步完成每个步骤，分享哪些方法有效，并帮助你选择合适的部件，让你的项目无需持续照料即可运行数月。
目录
步骤1：为户外/离网使用选择合适的树莓派型号
步骤2：估算项目的电力需求
步骤3：选择供电系统
步骤4：添加太阳能供电以实现完全离网运行
步骤5：硬件防风雨处理
步骤6：网络连接选项
步骤1：为户外/离网使用选择合适的树莓派型号
在启动户外/离网项目时，首要且最重要的考虑是如何为系统供电。在室内时，只需将电源插入电源插座即可。然而，在户外时，往往没有墙插可用。
此外，不同的树莓派型号功耗不同。因此，为项目仔细选择树莓派型号至关重要。
传统上，电力以瓦特为单位进行测量，即电流与电压的乘积。然而，由于树莓派通常由恒定的5伏电压供电，因此计算电流消耗（即安培）更有意义。
不同树莓派型号的电流消耗不同。此外，电流消耗还随处理状态而变化；即树莓派空闲时消耗的电流低于满负荷运行时。
根据树莓派Dramble团队的官方文档和基准测试，我编制了一张表格，可以快速概览各树莓派型号的当前功耗。
https://www.pidramble.com/wiki/benchmarks/power-consumption
我们可以进一步比较不同树莓派型号的性能。为此，我搜索了多个官方、社区提供和第三方以CPU为中心的基准测试（如Geekbench和Sysbench），并计算了它们的平均值。
同时，我还收集了可用的电流消耗统计数据并计算了平均值。最后，我绘制了数据图，以树莓派Zero的电流消耗和性能为参考进行比较。
如你所见，最近的树莓派型号提供了更强的处理能力。然而，这些型号也需要更高的电流消耗。树莓派Zero系列板提供了良好的、节能的中间地带，从电流消耗的角度来看最为经济。
对于大多数户外/离网场景，我推荐树莓派Zero系列，因为它们是功耗最低的型号。
如果你的应用需要更强的处理能力，那么可以选择树莓派5或树莓派4B，因为这些型号提供了显著的性能提升。
步骤2：估算项目的电力需求
在设计供电解决方案之前，我们需要估算或计算整个项目的电流消耗。我们之前讨论的电流消耗值仅针对树莓派本身。
然而，树莓派的配置（如是否启用HDMI、是否开启Wi-Fi）以及连接到树莓派的组件（如摄像头模块）对整体电流消耗有显著影响。
要估算总功耗，请将树莓派的电流消耗与连接到它的每个模块或组件的电流消耗相加。每个模块的确切电流消耗通常可以在OEM的技术文档中找到。
常用组件/模块的近似值如下：
树莓派摄像头模块V1/V2：200-250毫安
红外摄像头：250-300毫安
开启Wi-Fi：50-150毫安
USB Wi-Fi适配器：80-250毫安
蓝牙：10-40毫安
30毫米风扇：80-150毫安
PIR运动传感器：50-80毫安
这些只是近似值；实际值可能有所不同。
请记住，并非所有组件在任何时候都消耗相同的电流。例如，如前所述，树莓派在空闲时消耗的电流较少，在满负荷运行时消耗的电流较多。
同样，并非所有传感器或模块都持续以满负荷运行。这也可以在程序中优化。例如，假设你为监控用途将摄像头模块连接到树莓派。
一直开启摄像头将显著增加系统的平均电流消耗。或者，你可以使用PIR运动传感器进行初始检测，并决定何时开启摄像头。
你可以参考本指南了解如何监控树莓派的性能。
要计算系统的实际或真实电流消耗，可以进行一些基准测试。你可以使用基准测试电源或安培计来计算系统的电流消耗。或者，你可以使用这个USB安培计为树莓派供电并测量实际电流消耗。
评估电流消耗的最佳做法是将树莓派的工作流程分为几个部分。然后，使用上述方法分别计算每个部分的电流消耗。
现在估算系统将在每个部分花费的时间比例，将其乘以每个部分的电流消耗，并将所有乘积相加，以计算系统的总安时（AHrs）。
你可以将这个值除以总时间（如24小时）来计算系统的平均电流消耗。
计算项目的电力需求可能一开始看起来令人生畏，但这是一个关键步骤，将极大地有助于后续步骤。而且，一旦你掌握了它，它很快就会成为你的本能反应。
步骤3：选择供电系统
现在我们已经对项目的电力需求有了很好的了解，我们可以继续为系统选择最合适的供电方法。让我介绍几个可以选择的好方法。
充电宝
最简单的设置方法是通过充电宝为树莓派供电。市面上有许多价格合理的优质充电宝。我们需要确保的是充电宝为项目提供足够的瓦数。
尽量获取一个至少能提供你树莓派型号推荐电流的充电宝。例如，如果你使用的是树莓派5，你应该获取一个至少能提供25瓦（5伏x5安）的充电宝。
我发现了一个充电宝，它可以通过USB-C线提供高达100瓦的充电功率。
充电宝的另一个关键规格是其容量。容量通常以安时（Ah）或毫安时（mAh）为单位进行测量，它表示充电宝在需要充电之前能为负载供电多长时间。
例如，如果我们有一个容量为25,000毫安时的充电宝，而我们的项目平均消耗192毫安电流，那么25,000/192=130.2小时，即我们的充电宝将能够为项目供电约130.2小时。
然而，充电宝制造商经常对其实际容量进行四舍五入，而且充电宝以误导性的高容量进行营销也很常见。
因此，加上系统中的效率损失/电力损耗，我推荐从知名品牌购买充电宝。而且即使这样，也将其标称容量除以二，以更好地估计你将从它那里获得的实际性能。
例如，在我们之前的例子中，我会将容量除以二，即130.2小时/2=65小时。并且我会考虑充电宝大约需要每2.5到3天使用一次就需要充电。
电池供电电路
如果你稍微具备一些技术能力，我推荐创建你自己的电池供电电路。创建你自己的电路将使你能够根据需求进行定制，并且还将有助于下一步。
要创建你自己的电池供电电路，只需要做出几个选择。首先，我们需要决定为我们的设置使用哪种类型的电池。
锂离子电池：小型圆柱形电池，每个提供3.7伏电压。你可以将多个电池串联或并联以调整电流和电压额定值。单个电池的典型容量范围为1200毫安时至3600毫安时。
锂聚合物电池：小型电池组，形状和尺寸多样。它们有不同的配置，如1S、2S、3S等。S后面的数字表示电池组内部串联连接的电池数量。要得到电池的电压，将3.7乘以这个数字；例如，一个3S电池组将输出3.7×3=11.1伏电压。这些电池的容量范围也很广（取决于电池的大小）。
可充电电池：常见的AA电池。它们提供1.2伏电压输出，容量范围为1400毫安时至2500毫安时。与锂离子电池类似，这些电池通常组合使用以调整电池的容量和电压。这些电池的关键优势是它们可以轻松更换为任何其他AA电池。
每个选项都同样好。我个人更喜欢锂聚合物电池，因为它们提供了最佳的容量与尺寸之比。然而，可充电电池具有额外的优势，即你可以稍后将它们更换为简单的AA电池，而无需反复充电。
一旦你确定了将使用哪种类型的电池，电路的其余部分就很简单了。
你只需要以下额外的组件：
电池管理系统（BMS）：BMS是一个小型电子电路，保护你的电池免受过流和欠压的影响。如果你使用的是锂离子或锂聚合物电池，这是关键组件，因为这些电池可能提供过流，导致电池本身损坏以及潜在的热失控（火灾）。
因此，对于这些类型的电池来说，这是必备的；如果你使用的是更简单的AA可充电电池，则可以跳过这一步。BMS电路相对便宜，有几种配置（如1S、2S、3S等）。例如，我发现了这个1S设置的BMS电路，以及这个3S设置的BMS电路。
降压/升压转换器：你的电池+BMS的输出电压永远不会正好是5伏。它要么低于要么高于5伏。然而，树莓派需要5伏电压输入。
因此，要将电池+BMS的电压输出转换为可接受的5伏电压，我们需要安装一个降压转换器（以降低电压）或升压转换器（以增加电压）到所需水平。
整体电路将如下所示：
在选择此设置的部件时，首先计算峰值电流（使用你正在使用的树莓派型号的推荐电流），并确保你选择的任何部件的额定值都不低于该值。
额定值最低的部件将自动成为瓶颈，并定义你设置的整体电流容量。
同时，对于容量计算，你可以使用我为充电宝展示的相同程序。由于你正在创建自己的充电宝，你可以对这个设置的容量额定值更有信心。
UPS扩展板
如果你喜欢创建自己的充电宝和定制化的自由，但认为构建自己的电池供电电路太技术化了，你也可以选择使用预制的扩展板为树莓派供电。
我发现了这个由GeekPi为树莓派制作的UPS扩展板。你可以组装它并获得一个集成的UPS为你的树莓派供电。SunFounder在RaspberryTips上测试了一个类似的产品，但它已不再可用。
你可以把最多四个2S 18650电池连接到这个扩展板上。这大致相当于24,000毫安时的电池容量（取决于你的18650电池的容量）。
无论你选择哪种方法，你都可以根据电池/电池组的容量以及我们在充电宝部分使用的计算来估算树莓派的平均运行时间。
就个人而言，我推荐初学者使用UPS扩展板，而高级用户则自己制作电池供电电路。另一方面，基于充电宝的设置可能适合在投资适当的供电解决方案之前对你的项目进行原型制作或测试。
步骤4：添加太阳能供电以实现完全离网运行
现在我们已经弄清楚了如何为树莓派供电，那么它能持续供电多长时间呢？下一个合乎逻辑的问题是当电池放电时会发生什么？
最明显的答案是偶尔关闭系统并充电，或者准备两组电池/电池组：一组充电时另一组使用，你可以偶尔更换它们。
然而，这两种解决方案似乎都很麻烦，需要人工干预。如果我们想建立一个完全自主的离网设置呢？
对于这种类型的设置，最常见的解决方案是使用太阳能电池板为电池充电。基本概念很简单：你需要一个太阳能电池板和一个太阳能电池板充电控制器，并使用控制器的输出为你的UPS/电池设置充电。
本质上，我们只是在电池（电池组+BMS）和负载（降压转换器+树莓派）之间添加了一个太阳能电池板和充电控制器。此外，如果你使用的是一个好的充电控制器，你可以完全跳过BMS，因为大多数知名品牌都融入了过流和欠压保护。
然而，实际实施这种设置需要考虑众多因素。太阳能电池板有多种选项，具有不同的电压和功率额定值以及外形尺寸。
同时，也有多种充电控制器可供选择。将它们的规格与你的需求相匹配可能令人生畏。
对于一个小型的DIY项目，我推荐这些小型6伏、1安的太阳能电池板和这个小型充电控制器。对于这种类型的设置，你可以跳过典型的降压转换器和BMS电路。
太阳能电池板和电池容量计算
我们需要进行的一个关键计算是，需要多少块太阳能电池板才能让我们的系统连续24小时运行而无需任何干预。
要进行此计算，你可以遵循以下步骤：
首先，让我们确定平均峰值日照小时数。这随地点和季节而变化。我们将用D表示它，对于我们的例子，我们假设D=8小时。
接下来，我们需要计算在太阳能电池板不提供电力时（24-D小时）保持树莓派运行所需的电池容量。为此，我们假设平均负载（L）为192毫安。
要为192毫安的负载供电16小时（24-D），我们需要3,072毫安时的容量（Q=L×(24-D)）。
由于锂离子电池的放电深度（DoD）为50%，我们应该使用容量至少是我们需求两倍的电池来满足需求。因此，我们将需要至少6,144毫安时的电池。
让我们将其四舍五入到10,000毫安时以考虑系统效率损失。
现在，我们需要将这个值从毫安时转换为瓦时。为此，我们需要将我们计算的容量（Q）乘以电池电压（V）。由于我们假设了一个3S系统，电池电压变为11.1伏。现在，我们的容量以瓦时为单位是111瓦时（10安时×11.1伏）。
接下来，我们需要计算可用容量。在我们的例子中，由于DoD是50%，可用容量将是55.5瓦时（111×0.5）。
我们还需要考虑太阳能设置的充放电效率，因此让我们将这个值四舍五入到60瓦时（只是一个粗略估计）。这意味着我们需要60瓦时的充电功率来满足我们的需求。
要计算我们太阳能电池板所需的瓦数，我们可以将这个值除以D以得到7.5瓦。
除了为夜晚充电电池外，太阳能电池板还需要在白天为我们的树莓派项目供电。我们可以通过将树莓派的电流/负载需求乘以5伏来计算其所需功率，即0.96瓦（0.192安×5伏）。
最后，将先前计算的瓦数相加以得到我们太阳能电池板的总推荐瓦数：8.46瓦（7.5+0.96）。
这个粗略的计算告诉我们，为了为平均负载为192毫安的树莓派项目供电，我们将需要一个10,000毫安时的电池组，并且为了在可用的8小时内完全充电，我们将需要8.46瓦的太阳能电池板。
假设我们使用的是这些6瓦的太阳能电池板，我们将需要至少两块来为我们的树莓派提供24小时的电力。
我推荐的关键经验法则是，在供电方面总是过度补偿。例如，如果我们的计算得出需要两块太阳能电池板，那么我们应该选择三块以应对任何效率损失。
步骤5：硬件防风雨处理
现在我们已经弄清楚了如何为树莓派供电，下一步是保护我们的项目免受恶劣天气的影响。
我们的项目需要保护的两个关键因素是湿度和热量。在户外部署电子项目时，水/湿度是首要关注的问题。
有几个解决方案可供选择。你可以选择专门为树莓派5设计的水密外壳，如Sixfab的这款。
或者，你可以在亚马逊上购买一个完整的水密接线盒容器，并将你所有的敏感电子设备安装在里面。
如果你有一台3D打印机，你也可以设计你自己的水密外壳。只需确保你使用了正确类型的密封件。
一旦你确定了项目的正确外壳，你就需要决定如何正确通风和冷却你的树莓派。根据你的地理位置，适当的冷却设置可能极其重要。
有几种选项可供选择，将你的树莓派温度保持在推荐范围内。
对于大多数户外设置，我推荐散热片结合通风风扇。同时，如果你生活在特别炎热的气候中，需要考虑为你安装树莓派的容器设置冷却装置。
在将你的树莓派暴露在恶劣天气之前，准确确定外壳和冷却设置至关重要。这尤其重要，如果你希望你的项目是低维护的，并作为一个“设置后无需管理”的解决方案。
步骤6：网络连接选项
最后一件事：我认为大多数人在构建离网设置时都难以弄清楚如何让树莓派与我们通信。
如果你的项目将安装在Wi-Fi或蓝牙范围内，则无需担心这一点，可以使用这些传统的无线通信方法。
然而，如果你的树莓派超出了Wi-Fi或蓝牙范围，我们需要对我们的解决方案进行一些创意构思。让我们来看看你可以克服这个问题的几个选项。
长距离以太网电缆连接
最简单的选项之一是从你家到树莓派铺设一根以太网电缆。你可以铺设一根长达100米的千兆以太网电缆。
如果你的项目位于这个范围内，并且从你家/路由器到树莓派铺设电线是可行的，我推荐这个选项，因为它实施起来最简单。它还节省了用于维持Wi-Fi连接的大量电池寿命。
注意：如果你使用的是以太网电缆，你可能还需要考虑以太网供电（PoE）来为你的设置供电。对于短距离来说，这可能比我们之前提到的其他方法更容易。
SD卡（人工网络连接）
如果从你家路由器到树莓派铺设以太网电缆对你来说不可行，我首先建议你准确记下你的树莓派需要与你家路由器通信什么信息。
如果需要通信的信息不是时间敏感的，并且你只需要网络连接来共享日志，你可以使用内部SD卡来创建日志。当你需要时，可以手动将这些日志传输到你的PC上。
你还可以使用安装在树莓派上的外部USB。日志可以自动写入这个USB，当你需要查看时，你取出USB并读取数据（而无需暂停树莓派上的处理）。
根据我的经验，只有少数离网项目真正需要实时连接，而基于SD卡或USB的日志记录设置在大多数情况下就足够了。
GSM扩展板（移动网络）
如果你的项目超出了上述所有选项的范围，并且你需要实时连接，你可以使用GSM扩展板连接到移动网络。有几个GSM扩展板可供树莓派使用。
使用GSM扩展板将使你的树莓派项目真正离网。无论你将其部署在哪里，它都将能够通过短信和任何基于LTE或GSM的网络连接服务与云服务通信。
请记住，这样的设置需要为你的树莓派购买一个独立的SIM卡。此外，通过任何服务提供商的连接都将产生额外的服务费用（取决于你的位置）。
此外，某些地区可能对基于SIM卡的通信实施更严格的规则和要求，因此请了解你所在地的法律法规。
最后，构建一个户外树莓派项目主要是关于对电力和天气的尊重。如果你选择了正确的板子，为电池和太阳能配置留出了一些余量，并将所有东西都保护在一个坚固的外壳中，你的树莓派可以几乎无需关注地运行数周或数月。
从小处着手，测量实际发生的情况，调整你的设置，你将很快达到那个“设置后无需管理”的离网理想状态。
