物联网技术促进能量收集创新应用落地

什么是能量收集开发套件？

能量收集（EnergyHarvesting）并不是一个时兴的名词，但是物联网技术的进步以及诸如SiliconLabs（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（BluetoothLE）和ZigbeeGreenPower进行能量收集供电设备的功能和性能。该综合套件包括EFR32xG22EExplorerKit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AEM13920PMIC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：BluetoothRAIL-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（RadioAbstractionInterfaceLayer，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-peasPMIC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：BluetoothRAIL-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xG22EExplorerKit和KineticHarvesterShield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“EHSwitch”的开关设备和名称为“EHSensor”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ZigbeeGreenPower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（GreenPower，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。

ZigbeeGreenPower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，GreenPower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RaspberryPi上的HomeAssistant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ZigbeeCLI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。

审核编辑 黄宇