物联网技术促进 能量收集 创新应用落地

作者：芯科科技

什么是能量收集开发套件？

能量收集（ Energy Harvesting ）并不是一个时兴的名词，但是物联网技术的进步以及诸如 Silicon Labs （芯科科技）的物联网产品以及开发套件，使能量收集技术的应用也变得更加的实际和广阔。例如非常便于应用的 EFR32xG22E 能量收集开发套件是 设计节能物联网应用的一个理想起点 ，可用于探索和评估芯科科技多协议无线片上系统（ SoC ）支持的多种能量收集解决方案。

该套件可评估采用低功耗蓝牙（ Bluetooth LE ）和 Zigbee Green Power 进行能量收集供电设备的功能和性能。该综合套件包括 EFR32xG22E Explorer Kit 和多个能量收集屏蔽体，可评估各种能源，如光伏电池、感应或压电系统以及 热电发电机 （ TEG ）。它支持脉冲式或连续供电的应用，并可 适配单一或双重能量来源 。

为了展示这些扩展板的功能，芯科科技设计了 7 个应用示例。

示例一：蓝牙 - SoC 能量收集传感器

该示例使用了一个双 能量收集扩展板 ，采用锂电容作为储能元件，光伏电池作为 能量来源 。系统会定期唤醒以进行传感器读数和广播数据，然后进入休眠模式以节省能量。

该系统包括一个传感器和至少一个观察装置。传感器件将在不到 1 秒的时间内广播数据包中的储能元件电压，然后在 10 毫秒内进入 EM2 模式，然后唤醒并再次广播。传感器件将重复上述过程 2 次，然后进入 EM4 模式，持续 25 秒。观察装置将扫描传感器件，并从广播数据中获取储能元件电压值，然后将其显 示在日志控制台或 Simplicity Connect 移动应用 上。

能量收集应用应进行优化，以便在最短的可行时间段内仅传输所需的最少信息。这类休眠型能量收集设备在其生命周期的大部分时间都处于 EM4 深度休眠状态。

通电复位后，应用从 AEM13920 PMIC 读取储能元件电压并开始传输它。第一个广播发送完成后，应用逻辑会将微控制器送入 EM2 休眠模式，持续 10 毫秒，并重复此发送周期两次。在发送第三条信息后，设备立即进入 EM4 深度休眠模式，并保持 在该模式中， 直到 BURTC （ 25 秒后）触发微控制器唤醒。

微控制器唤醒并完成初始化过程后，开始读取储能元件电压并开始传输信息。有效载荷大小、发射功率和广播时间会 显著影响成功传输数据所需的 能耗 。 用户可以根据具体情况重新配置这些参数。

示例二： Bluetooth RAIL - SoC 能量收集传感器

该示例使用了一个双 能量收集扩展板 ，锂电容作为储能元件，光伏电池作为 能量来源 。

该设备的工作原理是从 PMIC （ AEM13920 - 电源管理芯片）获取传感器读数，然后使用 RAIL 创建低功耗数据包，并将该数据包广播为不可连接，以优化能耗。

该示例向用户展示了如何使用芯科科技射频抽象接口层（ Radio Abstraction Interface Layer ， RAIL ）库来创建低功耗蓝牙广播数据包以降低能耗。

为了优化节能效果，设备在其生命周期的大部分时间都将处于 EM4 深度休眠状态。只有在需要发布数据时才会唤醒，然后重新进入 EM4 模式。

通电复位后，应用程序从双 能量收集扩展板 上的 e-peas PMIC 读取储能电压，并在开始传输之前将该值填入广播数据包。

第一条广播发送完成后，应用逻辑会将微控制器送入 EM2 休眠模式，保持 1 秒钟，并重复此发送周期两次。在发送第三条信息后，设备立即进入 EM4 深度休眠模式，并一直保持该模式，直到 BURTC （ 20 秒后）触发微控制器唤醒。

有效载荷大小、发射功率和广播时间会显著影响成功传输开关状态所需的能耗。在我们的实现中，您可以改变休眠级别和持续时间，并根据可用能量或已知能量预算修改有效载荷大小和传输次数。

示例三： Bluetooth RAIL - SoC 能量收集动能开关

该项目旨在实现一个无线开关设备， 搭配 xG22E Explorer Kit 和 Kinetic Harvester Shield 一起使用，后者是集成了动能开关电源和 e-peas 电源管理芯片的扩展板。

无线 SoC 通常处于断电状态。当按下动能开关时，设备瞬间由动能收集器供电，使其能够传输广播数据包，直到能量耗尽，设备再次断电。该示例应用程序传输的数据包包含设备名称。

动能开关扩展板是这一应用的主要能量来源，它是一种无电池应用。当按下开关时，它提供的能量有限；因此，该应用经过优化，以便在最短的可行时间段内仅传输最少的所需信息。

当按下开关后，电路通电， SoC 启动并发送多个广播数据包。它一直在发送，直到在 SoC 的去耦电容中存储的能量耗尽，并发生欠压复位。观察设备至少会接收 3 个可见的广播数据包。广播数据包可用于触发观察器中的状态改变，例如控制 LED 灯或电源开关。

示例四：蓝牙 - SoC 能量收集应用观察器

该项目旨在实现一个用于蓝牙能量收集示例的观察器设备。该设备可扫描和分析来自能量收集开关 / 传感器件的广播数据包，并通过串行端口输出发送端的信息。当连接到开关设备时， LED 会提供视觉反馈。

该项目实现了一个用于蓝牙能量收集示例的观察器设备。主要过程如下面的状态图所示。

当观察器启动时，它会开始扫描 / 发现广播设备，寻找名称为“ EH Switch ”的开关设备和名称为“ EH Sensor ”的传感器件。一旦找到设备，它就会获取广播数据。

示例五：基于 Zigbee 的绿色能源设备 - SoC 能量收集传感器

该项目展示了一个 Zigbee Green Power 设备，该设备无需电池，完全由光伏（ PV ）电池采集的能量供电。该设备会定期唤醒，并向配对的设备发送报告，展现了一种高能效、可持续的通信系统。

SoC 可作为绿色能源设备（ GPD ）使用，并通过绿色能源组合（ GPC ）设备完成调试过程。调试完成后，绿色能源设备进入 EM4 关闭模式，这是 SoC 的最低能耗状态。在预先配置的时间间隔内，绿色能源设备会唤醒，从电源管理芯片（ PMIC ）中读取当前的储能电压，并将此数据报告给绿色能源组合设备，从而实现高能效和可持续的运行。

应用固件的工作原理如上图所示。与标准 Zigbee 设备不同的是，绿色能源设备不会与其母设备保持持续的 Zigbee 连接。相反，它在调试后大部分时间都会进入 EM4 关闭模式，这是能耗最低的模式。这种行为是本示例中能量收集设计的核心。在 EM4 模式下，大多数 外围设备 的电源都被关闭，它们必须在唤醒时重新初始化。

在调试之前，设备会演示另一种能耗模式 EM2 。在 EM2 模式下，能耗略高于 EM4 ，但大多数 外围设备 仍处于工作状态，以支持调试过程和其他操作。

示例六：基于 Zigbee 的绿色能源设备 - SoC 能量收集开关

该项目展示了一种完全由能量收集器供电的基于 Zigbee 的绿色能源（ Green Power ， GP ）设备，无需电池或其他储能元件。

由于缩短了启动时间，该无线 SoC 利用从动能开关获取的电能运行，可迅速唤醒并向配对的绿色能源组合设备发送报告。调试成功后，绿色能源设备向绿色能源组合设备发送切换命令（ GPDF ），从而实现绿色能源组合上的 LED 灯控制。

Zigbee Green Power 是 Zigbee 协议的一项特殊功能，专为超低功耗、能量收集设备（如动能开关）而设计，无需传统电池或储能元件。与标准 Zigbee 不同， Green Power 使用无需确认（ ACK ）的短小且高效的通信帧，从而最大限度地减少了数据传输和能耗。

该解决方案采用芯科科技的 EFR32MG22ESoC ，动能开关通过按下按钮为绿色能源通信帧提供能量。超低功耗设计实现了可持续、免维护的性能和安全调试，这是带外数据（ OOB ）的替代方法，提供了一个安全调试过程的示例，在能源受限的系统中使用 GP 协议，通常会中断供电。只有在调试完成后，绿色能源状态才会存储在非易失性存储器（ NVM ）中，以优化能效。

调试完成后，动能开关会生成绿色能源数据帧，以控制远程绿色能源组合设备的 LED 灯，这是测试系统所必需的。

与电池供电应用不同， SoC 通常处于断电状态，在按下动能开关（即能量脉冲启动系统）时启动。在正常运行期间， SoC 会唤醒、发送切换帧并保持空闲状态，直到电断电。

示例七： Zigbee 绿色能源组合 - SoC 能量收集观察器

该项目展示了一个 Zigbee 绿色能源组合设备，用作能量收集型绿色能源设备的观察器。该绿色能源组合设备允许多个绿色能源设备与其配对。绿色能源组合设备可以接收和处理绿色能源数据帧，并将绿色能源数据帧转换为 Zigbee 集群库（ ZCL ）数据包。它的网络能力符合 Zigbee 规范的要求，既可自行组建一个分布式 Zigbee 网络，也可加入现有网络，例如由 Raspberry Pi 上的 Home Assistant 协调器组成的网络。

该应用展示了绿色能源组合设备的功能，该设备在一个应用中集成了代理和接收器实例。绿色能源组合设备与绿色能源设备相互作用，绿色能源设备通常是能量收集、无电池或超长电池寿命设备，如开关和传感器。绿色能源组合设备是超低功耗绿色能源设备与标准 Zigbee 网络之间的桥梁。它将绿色能源数据帧转换成标准 Zigbee 集群库帧，供网络的其他部分理解使用。

绿色能源组合设备与绿色能源设备之间的通信由 Zigbee 绿色能源调试过程启动。绿色能源组合设备参与新绿色能源设备的调试过程，帮助它们安全地集成到 Zigbee 网络中。绿色能源设备使用一种称为绿色能源设备帧的紧凑信息格式，以尽可能减少传输过程中的能耗。绿色能源组合设备接收这些绿色能源设备帧并进行处理。支持与绿色能源设备的安全通信，包括加密和信息完整性检查。

基于 Zigbee 的绿色能源组合设备具有软件消抖功能，可防止 LED 快速切换。当绿色能源组合设备收到来自绿色能源设备的切换命令时，它会切换 LED 灯并启动一个 1 秒计时器。在计时器到时间之前收到的任何额外切换命令都将被忽略。

绿色能源组合设备支持虚拟通信端口功能，可用于输出调试信息。此外，还支持便捷的 Zigbee CLI 命令。用户可以使用 CLI 或板载按钮来管理网络组建和绿色能源调试，具体取决于 vcom 是启用还是禁用。

有关 7 个应用示例的更多信息，请访问以下参考资料：

蓝牙 - SoC 能量收集传感器 GitHub 页面

Bluetooth RAIL - SoC 能量收集传感器 GitHub 页面

Bluetooth RAIL - 能量收集动能开关 GitHub 页面

蓝牙 - SoC 能量收集应用观察器 GitHub 页面

基于 Zigbee 的绿色能源设备 - SoC 能量收集传感器 GitHub 页面

基于 Zigbee 的绿色能源设备 - SoC 能量收集开关 GitHub 页面

Zigbee 绿色能源组合 - SoC 能量收集观察器 GitHub 页面

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