芯耀
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作者：芯科科技
什么是能量收集開發(fā)套件？
能量收集（Energy Harvesting）并不是一個(gè)時(shí)興的名詞，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步以及諸如Silicon Labs（芯科科技）的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品以及開發(fā)套件，使能量收集技術(shù)的應(yīng)用也變得更加的實(shí)際和廣闊。例如非常便于應(yīng)用的EFR32xG22E能量收集開發(fā)套件是設(shè)計(jì)節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)理想起點(diǎn)，可用于探索和評(píng)估芯科科技多協(xié)議無線片上系統(tǒng)（SoC）支持的多種能量收集解決方案。
該套件可評(píng)估采用低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）和Zigbee Green Power進(jìn)行能量收集供電設(shè)備的功能和性能。該綜合套件包括EFR32xG22E Explorer Kit和多個(gè)能量收集屏蔽體，可評(píng)估各種能源，如光伏電池、感應(yīng)或壓電系統(tǒng)以及熱電發(fā)電機(jī)（TEG）。它支持脈沖式或連續(xù)供電的應(yīng)用，并可適配單一或雙重能量來源。
為了展示這些擴(kuò)展板的功能，芯科科技設(shè)計(jì)了7個(gè)應(yīng)用示例。
示例一：藍(lán)牙 - SoC能量收集傳感器
該示例使用了一個(gè)雙能量收集擴(kuò)展板，采用鋰電容作為儲(chǔ)能元件，光伏電池作為能量來源。系統(tǒng)會(huì)定期喚醒以進(jìn)行傳感器讀數(shù)和廣播數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠模式以節(jié)省能量。
該系統(tǒng)包括一個(gè)傳感器和至少一個(gè)觀察裝置。傳感器件將在不到1秒的時(shí)間內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包中的儲(chǔ)能元件電壓，然后在10毫秒內(nèi)進(jìn)入EM2模式，然后喚醒并再次廣播。傳感器件將重復(fù)上述過程2次，然后進(jìn)入EM4模式，持續(xù)25秒。觀察裝置將掃描傳感器件，并從廣播數(shù)據(jù)中獲取儲(chǔ)能元件電壓值，然后將其顯示在日志控制臺(tái)或Simplicity Connect移動(dòng)應(yīng)用上。
能量收集應(yīng)用應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以便在最短的可行時(shí)間段內(nèi)僅傳輸所需的最少信息。這類休眠型能量收集設(shè)備在其生命周期的大部分時(shí)間都處于EM4深度休眠狀態(tài)。
通電復(fù)位后，應(yīng)用從AEM13920 PMIC讀取儲(chǔ)能元件電壓并開始傳輸它。第一個(gè)廣播發(fā)送完成后，應(yīng)用邏輯會(huì)將微控制器送入EM2休眠模式，持續(xù)10毫秒，并重復(fù)此發(fā)送周期兩次。在發(fā)送第三條信息后，設(shè)備立即進(jìn)入EM4深度休眠模式，并保持在該模式中，直到BURTC（25秒后）觸發(fā)微控制器喚醒。
微控制器喚醒并完成初始化過程后，開始讀取儲(chǔ)能元件電壓并開始傳輸信息。有效載荷大小、發(fā)射功率和廣播時(shí)間會(huì)顯著影響成功傳輸數(shù)據(jù)所需的能耗。用戶可以根據(jù)具體情況重新配置這些參數(shù)。
示例二：Bluetooth RAIL - SoC能量收集傳感器
該示例使用了一個(gè)雙能量收集擴(kuò)展板，鋰電容作為儲(chǔ)能元件，光伏電池作為能量來源。
該設(shè)備的工作原理是從PMIC（AEM13920 - 電源管理芯片）獲取傳感器讀數(shù)，然后使用RAIL創(chuàng)建低功耗數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包廣播為不可連接，以優(yōu)化能耗。
該示例向用戶展示了如何使用芯科科技射頻抽象接口層（Radio Abstraction Interface Layer，RAIL）庫來創(chuàng)建低功耗藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)包以降低能耗。
為了優(yōu)化節(jié)能效果，設(shè)備在其生命周期的大部分時(shí)間都將處于EM4深度休眠狀態(tài)。只有在需要發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)喚醒，然后重新進(jìn)入EM4模式。
通電復(fù)位后，應(yīng)用程序從雙能量收集擴(kuò)展板上的e-peas PMIC讀取儲(chǔ)能電壓，并在開始傳輸之前將該值填入廣播數(shù)據(jù)包。
第一條廣播發(fā)送完成后，應(yīng)用邏輯會(huì)將微控制器送入EM2休眠模式，保持1秒鐘，并重復(fù)此發(fā)送周期兩次。在發(fā)送第三條信息后，設(shè)備立即進(jìn)入EM4深度休眠模式，并一直保持該模式，直到BURTC（20秒后）觸發(fā)微控制器喚醒。
有效載荷大小、發(fā)射功率和廣播時(shí)間會(huì)顯著影響成功傳輸開關(guān)狀態(tài)所需的能耗。在我們的實(shí)現(xiàn)中，您可以改變休眠級(jí)別和持續(xù)時(shí)間，并根據(jù)可用能量或已知能量預(yù)算修改有效載荷大小和傳輸次數(shù)。
示例三：Bluetooth RAIL - SoC能量收集動(dòng)能開關(guān)
該項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線開關(guān)設(shè)備，搭配xG22E Explorer Kit和Kinetic Harvester Shield一起使用，后者是集成了動(dòng)能開關(guān)電源和e-peas電源管理芯片的擴(kuò)展板。
無線SoC通常處于斷電狀態(tài)。當(dāng)按下動(dòng)能開關(guān)時(shí)，設(shè)備瞬間由動(dòng)能收集器供電，使其能夠傳輸廣播數(shù)據(jù)包，直到能量耗盡，設(shè)備再次斷電。該示例應(yīng)用程序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包包含設(shè)備名稱。
動(dòng)能開關(guān)擴(kuò)展板是這一應(yīng)用的主要能量來源，它是一種無電池應(yīng)用。當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，它提供的能量有限；因此，該應(yīng)用經(jīng)過優(yōu)化，以便在最短的可行時(shí)間段內(nèi)僅傳輸最少的所需信息。
當(dāng)按下開關(guān)后，電路通電，SoC啟動(dòng)并發(fā)送多個(gè)廣播數(shù)據(jù)包。它一直在發(fā)送，直到在SoC的去耦電容中存儲(chǔ)的能量耗盡，并發(fā)生欠壓復(fù)位。觀察設(shè)備至少會(huì)接收3個(gè)可見的廣播數(shù)據(jù)包。廣播數(shù)據(jù)包可用于觸發(fā)觀察器中的狀態(tài)改變，例如控制LED燈或電源開關(guān)。
示例四：藍(lán)牙 - SoC能量收集應(yīng)用觀察器
該項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于藍(lán)牙能量收集示例的觀察器設(shè)備。該設(shè)備可掃描和分析來自能量收集開關(guān)/傳感器件的廣播數(shù)據(jù)包，并通過串行端口輸出發(fā)送端的信息。當(dāng)連接到開關(guān)設(shè)備時(shí)，LED會(huì)提供視覺反饋。
該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于藍(lán)牙能量收集示例的觀察器設(shè)備。主要過程如下面的狀態(tài)圖所示。
當(dāng)觀察器啟動(dòng)時(shí)，它會(huì)開始掃描/發(fā)現(xiàn)廣播設(shè)備，尋找名稱為“EH Switch”的開關(guān)設(shè)備和名稱為“EH Sensor”的傳感器件。一旦找到設(shè)備，它就會(huì)獲取廣播數(shù)據(jù)。
示例五：基于Zigbee的綠色能源設(shè)備 - SoC能量收集傳感器
該項(xiàng)目展示了一個(gè)Zigbee Green Power設(shè)備，該設(shè)備無需電池，完全由光伏（PV）電池采集的能量供電。該設(shè)備會(huì)定期喚醒，并向配對(duì)的設(shè)備發(fā)送報(bào)告，展現(xiàn)了一種高能效、可持續(xù)的通信系統(tǒng)。
SoC可作為綠色能源設(shè)備（GPD）使用，并通過綠色能源組合（GPC）設(shè)備完成調(diào)試過程。調(diào)試完成后，綠色能源設(shè)備進(jìn)入EM4關(guān)閉模式，這是SoC的最低能耗狀態(tài)。在預(yù)先配置的時(shí)間間隔內(nèi)，綠色能源設(shè)備會(huì)喚醒，從電源管理芯片（PMIC）中讀取當(dāng)前的儲(chǔ)能電壓，并將此數(shù)據(jù)報(bào)告給綠色能源組合設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)高能效和可持續(xù)的運(yùn)行。
應(yīng)用固件的工作原理如上圖所示。與標(biāo)準(zhǔn)Zigbee設(shè)備不同的是，綠色能源設(shè)備不會(huì)與其母設(shè)備保持持續(xù)的Zigbee連接。相反，它在調(diào)試后大部分時(shí)間都會(huì)進(jìn)入EM4關(guān)閉模式，這是能耗最低的模式。這種行為是本示例中能量收集設(shè)計(jì)的核心。在EM4模式下，大多數(shù)外圍設(shè)備的電源都被關(guān)閉，它們必須在喚醒時(shí)重新初始化。
在調(diào)試之前，設(shè)備會(huì)演示另一種能耗模式EM2。在EM2模式下，能耗略高于EM4，但大多數(shù)外圍設(shè)備仍處于工作狀態(tài)，以支持調(diào)試過程和其他操作。
示例六：基于Zigbee的綠色能源設(shè)備 - SoC能量收集開關(guān)
該項(xiàng)目展示了一種完全由能量收集器供電的基于Zigbee的綠色能源（Green Power，GP）設(shè)備，無需電池或其他儲(chǔ)能元件。
由于縮短了啟動(dòng)時(shí)間，該無線SoC利用從動(dòng)能開關(guān)獲取的電能運(yùn)行，可迅速喚醒并向配對(duì)的綠色能源組合設(shè)備發(fā)送報(bào)告。調(diào)試成功后，綠色能源設(shè)備向綠色能源組合設(shè)備發(fā)送切換命令（GPDF），從而實(shí)現(xiàn)綠色能源組合上的LED燈控制。
Zigbee Green Power是Zigbee協(xié)議的一項(xiàng)特殊功能，專為超低功耗、能量收集設(shè)備（如動(dòng)能開關(guān)）而設(shè)計(jì)，無需傳統(tǒng)電池或儲(chǔ)能元件。與標(biāo)準(zhǔn)Zigbee不同，Green Power使用無需確認(rèn)（ACK）的短小且高效的通信幀，從而最大限度地減少了數(shù)據(jù)傳輸和能耗。
該解決方案采用芯科科技的EFR32MG22ESoC，動(dòng)能開關(guān)通過按下按鈕為綠色能源通信幀提供能量。超低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)、免維護(hù)的性能和安全調(diào)試，這是帶外數(shù)據(jù)（OOB）的替代方法，提供了一個(gè)安全調(diào)試過程的示例，在能源受限的系統(tǒng)中使用GP協(xié)議，通常會(huì)中斷供電。只有在調(diào)試完成后，綠色能源狀態(tài)才會(huì)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中，以優(yōu)化能效。
調(diào)試完成后，動(dòng)能開關(guān)會(huì)生成綠色能源數(shù)據(jù)幀，以控制遠(yuǎn)程綠色能源組合設(shè)備的LED燈，這是測(cè)試系統(tǒng)所必需的。
與電池供電應(yīng)用不同，SoC通常處于斷電狀態(tài)，在按下動(dòng)能開關(guān)（即能量脈沖啟動(dòng)系統(tǒng)）時(shí)啟動(dòng)。在正常運(yùn)行期間，SoC會(huì)喚醒、發(fā)送切換幀并保持空閑狀態(tài)，直到電斷電。
示例七：Zigbee綠色能源組合 - SoC能量收集觀察器
該項(xiàng)目展示了一個(gè)Zigbee綠色能源組合設(shè)備，用作能量收集型綠色能源設(shè)備的觀察器。該綠色能源組合設(shè)備允許多個(gè)綠色能源設(shè)備與其配對(duì)。綠色能源組合設(shè)備可以接收和處理綠色能源數(shù)據(jù)幀，并將綠色能源數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為Zigbee集群庫（ZCL）數(shù)據(jù)包。它的網(wǎng)絡(luò)能力符合Zigbee規(guī)范的要求，既可自行組建一個(gè)分布式Zigbee網(wǎng)絡(luò)，也可加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，例如由Raspberry Pi上的Home Assistant協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)絡(luò)。
該應(yīng)用展示了綠色能源組合設(shè)備的功能，該設(shè)備在一個(gè)應(yīng)用中集成了代理和接收器實(shí)例。綠色能源組合設(shè)備與綠色能源設(shè)備相互作用，綠色能源設(shè)備通常是能量收集、無電池或超長(zhǎng)電池壽命設(shè)備，如開關(guān)和傳感器。綠色能源組合設(shè)備是超低功耗綠色能源設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。它將綠色能源數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)Zigbee集群庫幀，供網(wǎng)絡(luò)的其他部分理解使用。
綠色能源組合設(shè)備與綠色能源設(shè)備之間的通信由Zigbee綠色能源調(diào)試過程啟動(dòng)。綠色能源組合設(shè)備參與新綠色能源設(shè)備的調(diào)試過程，幫助它們安全地集成到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中。綠色能源設(shè)備使用一種稱為綠色能源設(shè)備幀的緊湊信息格式，以盡可能減少傳輸過程中的能耗。綠色能源組合設(shè)備接收這些綠色能源設(shè)備幀并進(jìn)行處理。支持與綠色能源設(shè)備的安全通信，包括加密和信息完整性檢查。
基于Zigbee的綠色能源組合設(shè)備具有軟件消抖功能，可防止LED快速切換。當(dāng)綠色能源組合設(shè)備收到來自綠色能源設(shè)備的切換命令時(shí)，它會(huì)切換LED燈并啟動(dòng)一個(gè)1秒計(jì)時(shí)器。在計(jì)時(shí)器到時(shí)間之前收到的任何額外切換命令都將被忽略。
綠色能源組合設(shè)備支持虛擬通信端口功能，可用于輸出調(diào)試信息。此外，還支持便捷的Zigbee CLI命令。用戶可以使用CLI或板載按鈕來管理網(wǎng)絡(luò)組建和綠色能源調(diào)試，具體取決于vcom是啟用還是禁用。
Tech Talks技術(shù)講座 - 借助芯科科技的xG22E為智能物聯(lián)網(wǎng)收集能量
2025年Tech Talks技術(shù)講座－中文系列即將在7月3日帶來全新主題－“借助芯科科技的xG22E為智能物聯(lián)網(wǎng)收集能量”。點(diǎn)擊此處，即刻報(bào)名并可了解芯科科技新推出的能量收集屏蔽體（Energy Harvesting Shields）如何能幫助用戶評(píng)估多種能源，如光伏電池、感應(yīng)式或壓電系統(tǒng)等等。這是EFR32xG22E能量收集開發(fā)套件的重要部分，旨在助力開發(fā)人員縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并提供多種測(cè)量方式，以及針對(duì)不同的用例進(jìn)行比較，為智能物聯(lián)網(wǎng)增添最合適的能量收集解決方案。
