离网户外树莓派项目完整指南：电源选择、太阳能计算与远程网络方案

你是否曾想过，如何让树莓派在远离市电的户外稳定运行？为了找到答案，我深入研究了各种方案。如果你也正考虑尝试，或者已经遇到了无线信号差、电池续航短等问题，这份指南将为你整合我发现的最佳实践。

简单来说，要让树莓派在户外离网环境下工作，关键在于：选择合适的低功耗型号、精确测量功耗、配备合适的电池或UPS、搭配合适的太阳能电池板、选择可靠的网络方案，并用坚固的外壳做好防护。

跟着我的步骤，你可以避免常见误区，一步步构建一个真正能“部署后不管”、稳定运行数月的户外项目。我会分享哪些方法有效，并帮你挑选合适的组件。

目录

1. 步骤一：为户外/离网项目选择合适的树莓派型号
2. 步骤二：估算项目的总电力需求
3. 步骤三：选择供电系统（充电宝、自制电池电路或UPS扩展板）
4. 步骤四：添加太阳能供电，实现完全自给自足
5. 步骤五：硬件防风雨与散热处理
6. 步骤六：远程网络连接方案

步骤一：为户外/离网项目选择合适的树莓派型号

启动户外项目时，供电是首要考虑。室内可以随时插电，但户外往往没有插座可用。不同树莓派型号的功耗差异显著，因此选型至关重要。

电力通常以瓦特（W）计量，即电流（安培，A）与电压（伏特，V）的乘积。由于树莓派通常由恒定的5V电压供电，因此关注电流消耗（安培数）更有实际意义。

不同树莓派型号的电流消耗不同，并且会随负载状态变化——空闲时耗电少，满负荷运行时耗电多。

根据树莓派官方文档和Dramble团队的基准测试数据，我整理了下表，可以快速了解各型号的功耗情况（参考链接：https://www.pidramble.com/wiki/benchmarks/power-consumption）。

我们还可以对比不同型号的性能。我综合了多个官方和第三方CPU基准测试数据（如Geekbench），并计算了平均值。同时，我也收集了电流消耗数据并取平均，最后以树莓派Zero为基准绘制了对比图。

如图所示，新型号提供了更强的处理能力，但代价是更高的电流消耗。树莓派Zero系列在功耗和性能之间取得了良好的平衡，从省电角度看最为经济。

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，那么树莓派5或4B是更好的选择，它们能带来显著的性能提升。

步骤二：估算项目的总电力需求

在设计供电方案前，我们需要计算整个项目的总电流消耗。前面讨论的数值仅针对树莓派主板本身。

然而，树莓派的配置（如是否启用HDMI、Wi-Fi）以及外接模块（如摄像头）会显著影响整体功耗。

估算总功耗的方法很简单：将树莓派本体的电流消耗与所有外接模块的电流消耗相加。每个模块的具体功耗通常可以在其技术文档中找到。

以下是一些常用组件的近似功耗范围：

• 树莓派摄像头模块 V1/V2：200-250 mA
• 红外摄像头：250-300 mA
• 启用板载 Wi-Fi：50-150 mA
• USB Wi-Fi 适配器：80-250 mA
• 4G/LTE USB 调制解调器：500-1000 mA
• 蓝牙：10-40 mA
• 30mm 风扇：80-150 mA
• PIR 运动传感器：50-80 mA

请注意，这些都是近似值，实际值可能不同。关键点在于，并非所有组件都始终满负荷运行。例如，树莓派空闲时功耗更低。同样，传感器也可能间歇性工作。

你可以在程序中进行优化。例如，对于一个监控项目，让摄像头一直开启会大幅增加平均功耗。更好的方案是使用PIR传感器进行初始检测，仅在必要时唤醒摄像头。

你可以参考 此指南 来监控树莓派的性能。

要获取系统的实际功耗，最好进行实测。你可以使用基准测试电源或电流表，或者使用下图这种USB电流表，在给树莓派供电的同时测量实时电流。

评估功耗的最佳实践是：将树莓派的工作流程划分为几个阶段，分别测量每个阶段的电流消耗。然后，估算系统在每个阶段运行的时间比例，将时间比例乘以对应阶段的电流，再将所有乘积相加，得到系统的总安时（Ah）需求。最后，用总安时除以总运行时间（例如24小时），即可算出系统的平均电流消耗。

计算电力需求初看可能有些复杂，但这是至关重要的一步，能为后续步骤打下坚实基础。掌握后，这会变成你的本能反应。在复杂的系统架构设计与优化中，这种精确估算的能力尤为重要。

步骤三：选择供电系统

了解了项目的电力需求后，我们就可以选择最合适的供电方法了。以下是几个可靠的选择。

1. 充电宝（移动电源）

这是最简单的方案。市面上有许多性价比高的优质充电宝。我们需要确保充电宝能提供足够的功率（瓦数）。

尽量选择能至少提供你所用树莓派型号推荐电流的充电宝。例如，树莓派5需要至少25W（5V x 5A）的电源。我找到过能通过USB-C提供高达100W输出的充电宝。

充电宝的另一个关键参数是容量，通常以毫安时（mAh）或安时（Ah）表示，决定了它在需要充电前能为设备供电多久。

例如，一个25000 mAh的充电宝，为一个平均功耗192 mA的项目供电，理论续航为 25000 / 192 ≈ 130小时。

但请注意，许多充电宝的实际容量可能低于标称值，而且系统存在效率损耗。因此，我建议从可靠品牌购买，并且将标称容量除以2来估算实际可用容量。

沿用上例，130小时 / 2 = 65小时，这意味着大约每2.5到3天就需要给充电宝充电一次。

2. 自制电池供电电路

如果你有一定动手能力，我推荐自制电池供电电路。这允许你完全定制方案，并且为后续添加太阳能充电铺平道路。

自制电路需要做几个选择。首先是电池类型：

• 锂离子电芯（Li-Ion）：常见圆柱形电池，单节3.7V。可串联或并联以调整电压和容量。单节容量通常在1200-3600 mAh之间。
• 锂聚合物电池（Li-Po）：电池组形式，形状多样。通过如1S、2S、3S等配置表示串联电芯数。电压为3.7V x 电芯数（如3S为11.1V）。容量范围很广。
• 可充电电池（如AA）：常见的AA电池，单节1.2V，容量约1400-2500 mAh。优势是易于更换为普通AA电池。

每种都不错。我个人偏好锂聚合物电池，因其容量尺寸比最佳。但可充电AA电池的易更换性也是一大优势。

选定电池后，你还需要以下组件：

• 电池管理系统（BMS）：一个小型电路，用于保护锂电池免受过流、过放等风险。对于Li-Ion和Li-Po电池是必需品，可防止损坏甚至起火。对于AA电池则可省略。
• 降压/升压转换器：电池+BMS的输出电压不一定是精确的5V。我们需要一个转换器（降压或升压）将其稳定到树莓派所需的5V。

整体电路连接如下图所示：

选择部件时，首先根据树莓派型号计算峰值电流，确保所有部件（BMS、转换器、线材）的额定电流都不低于该值。整个系统的电流容量将由额定值最低的部件决定。

容量计算可采用与充电宝相同的方法。由于是自制，你可以对电池组的实际容量更有信心。

3. UPS扩展板（HAT）

如果你喜欢定制化但又觉得自制电路太复杂，可以选择为树莓派设计的预制UPS扩展板。

例如，GeekPi为树莓派制作的UPS扩展板。你可以组装它，获得一个集成的UPS。SunFounder也曾测试过类似产品（下图，参考链接：https://raspberrytips.com/sunfounder-pi-power-review/）。

这类扩展板通常可以连接多节18650电池（例如最多4节2S），根据电池容量不同，总计可达约24000 mAh的容量。

无论选择哪种方法，都可以根据电池容量和之前介绍的计算公式，估算出树莓派的平均运行时间。

个人建议：初学者可使用UPS扩展板，高级用户可尝试自制电池电路。而基于充电宝的方案，则适合项目原型测试阶段。

步骤四：添加太阳能供电，实现完全离网运行

解决了供电，下一个问题就是：电用完了怎么办？最直接的答案是手动充电或准备两组电池轮流使用。但这都需要人工干预。

如果想实现完全自主的离网系统，最常见的方案是使用太阳能电池板为电池充电。基本概念很简单：你需要一块太阳能板和一个充电控制器，用控制器的输出为你的电池系统充电。

本质上，我们是在电池（电池组+BMS）和负载（转换器+树莓派）之间加入了太阳能板和充电控制器。如果使用优质的充电控制器，你甚至可以省略独立的BMS，因为好的控制器已内置过充过放保护。

实际实施时，太阳能板有各种电压、功率和尺寸，充电控制器也有多种类型。对于小型DIY项目，我推荐使用6V 1A的小型太阳能板和配套的小型充电控制器。对于这种小功率设置，你甚至可以省去独立的降压转换器和BMS。

太阳能板与电池容量计算

我们需要进行一项关键计算：需要多大的太阳能板才能让系统24小时不间断运行？

假设我们遵循以下步骤进行计算（使用之前例子中的平均负载192 mA）：

1. 确定平均峰值日照小时数（D）：这取决于地点和季节。假设 D = 8 小时。
2. 计算夜间所需电池容量：在无日照的16小时（24-D）内，为负载（L=192mA）供电所需的容量 Q = L × (24-D) = 192mA × 16h = 3072 mAh。
3. 考虑电池放电深度（DoD）：锂电池通常建议DoD不超过50%。因此，电池总容量至少应为 3072 mAh × 2 = 6144 mAh。
4. 计入系统损耗：将其向上取整，比如选择 10000 mAh 的电池组。
5. 将容量转换为瓦时（Wh）：假设使用3S电池组，电压 V = 11.1V。则总能量 = 10 Ah × 11.1 V = 111 Wh。
6. 计算可用能量：考虑50% DoD，可用能量为 111 Wh × 0.5 = 55.5 Wh。
7. 考虑充放电效率：粗略估计，将可用能量视为 60 Wh。这意味着我们需要太阳能板提供60 Wh的电能来满足夜间需求。
8. 计算满足夜间充电所需的太阳能板功率：所需功率 = 60 Wh / D = 60 Wh / 8 h = 7.5 W。
9. 计算白天负载所需功率：树莓派白天也在工作，其功率 P = 0.192 A × 5 V = 0.96 W。
10. 计算太阳能板总推荐功率：7.5 W + 0.96 W = 8.46 W。

这个粗略计算告诉我们，为一个平均负载192 mA的树莓派项目供电，我们需要一个约10000 mAh的电池组，以及一块约8.5W的太阳能板（在8小时日照内充满电）。

假设使用常见的6W小型太阳能板，我们至少需要2块才能满足需求。

关键经验法则：在供电方面，务必留有裕量。 如果计算需要2块板子，那就准备3块，以应对阴天、灰尘或效率损失。稳健的配置管理思想同样适用于硬件系统设计。

步骤五：硬件防风雨与散热处理

解决了供电，下一步就是保护硬件免受户外恶劣环境的影响。主要威胁来自湿气和高温。

对于防水，你有几个选择：可以选择专为树莓派5设计防水外壳；也可以在电商平台购买通用的防水接线盒，将所有敏感电子设备装入其中。

如果你有3D打印机，也可以自己设计打印外壳，但务必使用合适的密封材料。

选好外壳后，还需考虑通风和散热。根据你所在的地理位置，有效的冷却方案可能至关重要。有几种方法可以将树莓派温度保持在安全范围内。

对于大多数户外设置，我推荐“散热片+主动风扇”的组合。如果你所在地区气候特别炎热，甚至需要考虑为整个防护容器设计额外的冷却措施。确保电子设备在稳定温度下工作是硬件安全的基础。

在将树莓派暴露于户外之前，确定好防护外壳和冷却方案至关重要，尤其是你希望项目是低维护、“一劳永逸”的。

步骤六：远程网络连接方案

最后，我们谈谈通信问题。很多人头疼如何在离网环境下与树莓派保持联系。

如果项目在Wi-Fi或蓝牙覆盖范围内，直接使用这些无线方式即可。但如果超出范围，我们就需要一些更有创意的方案。

1. 长距离以太网电缆

最简单的方案之一是从你家铺设一根以太网线到树莓派。标准千兆以太网线最大传输距离可达100米。

如果项目在这个范围内，且布线可行，我强烈推荐此方案，因为它实施简单、稳定，并且能节省维持无线连接所消耗的宝贵电量。

注意：如果使用网线，你还可以考虑以太网供电（PoE），用一根网线同时解决数据和电力传输，对于短距离部署可能比单独的供电方案更简便。

2. SD卡/USB存储（人工交互）

如果无法布线，我建议你先明确树莓派究竟需要与家庭路由器通信哪些数据。如果数据非实时敏感（例如只是存储日志），你可以让树莓派将日志写入内部的SD卡或外接的USB闪存盘。

需要查看数据时，取出存储介质读取即可（对于USB设备，甚至可以在树莓派不关机的情况下安全移除）。根据我的经验，大多数离网项目并不需要真正的实时连接，这种基于存储介质的日志记录方案已经足够。

3. GSM扩展板（移动网络）

如果项目地点超出以上所有方案的覆盖范围，且你必须要有实时连接，那么可以使用GSM扩展板让树莓派接入移动网络。市面上有几款可供树莓派使用的GSM/GPRS/LTE扩展板。

使用GSM扩展板能让你的项目实现真正的、位置无关的离网通信，通过短信或移动数据与云端服务交互。

但请注意，这需要为树莓派配备独立的SIM卡，并支付相应的移动数据服务费用。此外，不同地区对基于SIM卡的通信设备可能有特定的法规要求，部署前务必了解清楚。

总结

构建一个可靠的户外离网树莓派项目，核心在于尊重电力规律和天气环境。只要选对板卡、在电池和太阳能配置上留足余量、并将所有设备妥善密封在坚固的外壳内，你的树莓派就能在无人照料下稳定运行数周甚至数月。

从小规模开始，实地测量，不断调整优化，你很快就能实现那个理想的“部署后不管”的离网系统。如果在实践中遇到更复杂的脚本或环境配置问题，可以到云栈社区的运维板块与同行交流。