能量收集技术在物联网设备上的应用与解决方案

物联网是当前最炙手可热的技术发展，但是许多物联网设备仍必须仰赖电池来供应电力，而电池的消耗正对想要发展一个更加可持续的互联世界，带来了严苛的挑战。如何利用能量收集技术来减少电池的消耗，正成为物联网应用的热门发展方向。本文将为您介绍能量收集技术在物联网设备上的应用，以及由Silicon Labs（芯科科技）与合作伙伴所推出的相关解决方案。

电池问题是可持续发展目标中的严峻挑战

在如今注重可持续发展的世界中，众多的企业、消费者和国家/地区正努力于应对日益城市化所带来的不断增长的能源需求，追求碳中和的目标已经是必不可少的趋势，采用既能尽量减少浪费，又能为用户提供节能效益的技术解决方案变得至关重要，物联网应用则正面临着迎接这一转变的挑战。

当我们想到物联网时，我们会想到一个由智能、创新设备驱动的无缝连接的世界。但是，这些设备需要什么来保持这种连接性呢？较为简单的答案便是——电源，在大多数情况下则是指传统电池。虽然电池可以胜任并满足这些设备的目的，但确实存在许多的缺点。

经统计数据显示，每年有超过150亿个废旧电池被送往垃圾填埋场，这导致约900,000吨有害的土壤和地下水污染废物被排放。此外，仅在美国，平均每个家庭每年就会购买90块以上的电池，其中大多数均未达10年的使用寿命。在2025年时，预计约有250亿台物联网设备投入运行，每天则需要更换600万块电池。

这些数据指出了传统电池的三个主要问题——不便和不当的处置方式、不断的更换和可扩展性问题。这些缺陷不仅会对这些设备的功能和可靠性产生不利影响，而且还会阻碍智能物联网应用向无电池、节能的未来转变。为了应对传统电池给设备制造商带来的挑战，并尽量减少一个更具无缝连接性的世界对环境和生态系统造成的威胁，我们现在有一类新型和新兴的联网设备——统称为环境物联网。

环境物联网是指依靠磁场和电场、光、热、动能和声音等自然界中可利用的能源，为其提供动力的一类物联网设备。这种从我们周围的环境能源中提取运行功率的方法，消除了在物联网设备中使用电池的需求。

借助环境物联网，我们备受喜爱的智能设备现在可以依靠自然能源来获取电力并维持连接性，而不是依靠传统电池。这些能源（如光、热、运动等）不仅延长了设备的使用寿命，并且还显著降低了电池对环境的不利影响。

用于能量收集的创新无线互联片上系统

Silicon Labs是创新和万物互联物联网领域的一家领先公司，其使命是让开发人员能够创造无线联网设备，从而改变行业、发展经济，并改变人们的生活。Silicon Labs现在已经优化了xG22系列SoC（片上系统），以纳入支持能量收集的功能，Silicon Labs新的能量优化xG22E SoC系列可支持物联网设备的所有节能需求。

这个系列的电源封装的MCU可提供8ms的上电复位（PoR），仅消耗150微焦耳（?J）的能量，EM4唤醒仅需1.83毫秒，仅消耗16.6 ?J的能量。此外，它还提供很高的射频（RF）性能、多协议支持和2.4GHz操作。它还支持多个电源和电源管理器件，使用户能够探索超级电容器等新的电池技术。

以EFR32xG22E为例，它具有超快速低能耗的冷启动、低能耗的深度睡眠唤醒和高效的能源模式转换，可减轻有害电流尖峰，并防止损坏蓄电池，是市场上可靠的无线远程SoC之一。

xG22E SoC在市场上常见的一些应用包括智能家居和家电、游戏类电子设备、智能建筑，以及其他一些关键应用。像是在智能家居和家电中，门、水龙头和开关等Zigbee智能家居和家电，均可以使用能量收集发电机，来消除对电池的依赖及其相关的更换成本。在游戏类电子设备中，室内太阳能电视遥控器和计算机键盘都需要节能且经济高效的蓝牙LE SoC。在智能建筑应用中，使用xG22E Zigbee Green Power可进行无电池门把手和电灯开关控制的动能脉冲收集，有助于减少不断更换电池的需求。其他一些关键应用包括轮胎压力监测传感器、资产跟踪、电子货架标签（ESL）、工厂自动化、预测性维护和农业。

创新的先进能量收集屏蔽体套件解决方案

为了帮助设备制造商构建完整的能量收集解决方案，Silicon Labs与行业领先的电源管理集成电路（PMIC）提供商e-peas合作，共同开发了一个适用于新的电源优化xG22E Explorer套件的先进能量收集屏蔽体套件。

该套件配有三个专用屏蔽体，紧贴在Explorer套件板上，该板已经过优化，可隔离任何电力泄漏并方便外部测量。第一个屏蔽体允许使用替代电池化学物质和超级电容器进行试验。第二个屏蔽体专门用于动能／脉冲收集应用，并使用了e-peas AEM00300。这些屏蔽体提供了多个测试点，有助于调试及测量功耗。第三个屏蔽体使用了e-peas新颖而先进的PMIC AEM13920，这种屏蔽体使开发人员能够同时使用双重能量收集来源进行试验。该套件附带了大量适用于蓝牙和Zigbee Green Power的经重新审视的示例应用，并提供了有关如何设置PMIC和优化代码，以进行基于能源的决策说明。

以EFR32xG22E Explorer套件为例，这是超低成本的小封装开发与评估平台，主要用于快速执行EFR32xG22E蓝牙LE物联网应用的原型设计与概念创建。该套件有一个USB接口、一个板载SEGGER J-Link调试器、一个用户LED和按钮，并可通过mikroBus插座和Qwiic连接器对硬件附加板提供支持。硬件附加支持允许开发人员使用来自MIKROE、Sparkfun、AdaFruit和Seeed Studios的现成板，进行几乎无限的组合来创建和原型化应用。

满足低功耗、高传输效率需求的无线SoC解决方案

Silicon Labs的xG22E SoC包含多个产品线，包括EFR32BG22E系列、EFR32FG22E系列，以及EFR32MG22E系列，以下将为您介绍这些产品的相关特色。

首先介绍EFR32BG22系列2蓝牙无线SoC，包括EFR32BG22和EFR32BG22E低功耗蓝牙（LE）无线SoC解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。这些器件的设计高度注重能源效率，提供一流的超低传输功率和接收功率，高性能、低功耗Arm Cortex -M33内核提供业界领先的能源效率，可将钮扣电池寿命延长长达十年。

BG22让您能够创建节能应用，而BG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。Silicon Labs的BG22和BG22E系列是适用于环境物联网或能量收集设备的市场领先的理想SoC。目标应用包括蓝牙网状网络低功耗节点、智能门锁、个人医疗保健和健身设备。资产跟踪标签、信标和室内导航也将受益于SoC的多用途蓝牙到达角（AOA）和出发角（AOD）功能以及亚米级定位精度。

EFR32FG22系列2专有无线2.4 Ghz SoC包含EFR32FG22和EFR32FG22E专有无线2.4 Ghz SoC，该解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。FG22 SoC将38.4 MHz Arm Cortex-M33内核与TrustZone以及接收灵敏度达-102.3 dBm的高性能无线电集成在一起。FG22让您能够创建节能应用，而FG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。这款SoC将超低传输和接收功率（+6 dBm下为8.2 mA TX，3.6 mA RX）、1.2 ?A深度睡眠模式功率，以及诸如RFSense之类创新低功耗功能组合在一起，提供业界领先的能源效率，可延长电池有限或能量收集选项的产品（如电子货架标签和工业无线传感器节点使用的产品）的运行寿命。

EFR32MG22系列2 Zigbee SoC包括EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC，该解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。MG22系列提供优化的Zigbee SoC解决方案，该解决方案融合了带TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM Cortex-M33内核。MG22让您能够创建节能应用，而MG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。MG22 SoC将超低传输和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 ?A深入睡眠模式功率和低功耗外围器件组合在一起，为使用Zigbee协议的应用（包括绿色电源）提供业界领先的节能解决方案。物联网应用包括智能家居传感器、照明控制，以及建筑和工业自动化。

结语

当我们迈向更加智能与互联的未来，能量收集技术正扮演着关键推手。通过将环境中无处不在的能量，如光能、热能、振动能与射频能转化为电能，不仅能降低对传统电源的依赖，更能延长设备寿命、减少电池废弃物，实现真正的低碳与永续发展。随着物联网设备数量快速增加，能量收集将成为支持其长期稳定运作的重要基础。本文所介绍的Silicon Labs推出的能量收集相关SoC解决方案，将在构建更绿色、高效且具韧性的互联世界中，发挥不可或缺的核心作用。

本文转载自艾睿电子网站