什么是能量收集開發(fā)套件？

能量收集（Energy Harvesting）并不是一個時興的名詞，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步以及諸如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)計節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個理想起點，可用于探索和評估芯科科技多協(xié)議無線片上系統(tǒng)（SoC）支持的多種能量收集解決方案。

該套件可評估采用低功耗藍牙（Bluetooth LE）和Zigbee Green Power進行能量收集供電設(shè)備的功能和性能。該綜合套件包括EFR32xG22E Explorer Kit和多個能量收集屏蔽體，可評估各種能源，如光伏電池、感應(yīng)或壓電系統(tǒng)以及熱電發(fā)電機（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。

為了展示這些擴展板的功能，芯科科技設(shè)計了7個應(yīng)用示例。

示例一：藍牙 - SoC能量收集傳感器

該示例使用了一個雙能量收集擴展板，采用鋰電容作為儲能元件，光伏電池作為能量來源。系統(tǒng)會定期喚醒以進行傳感器讀數(shù)和廣播數(shù)據(jù)，然后進入休眠模式以節(jié)省能量。

該系統(tǒng)包括一個傳感器和至少一個觀察裝置。傳感器件將在不到1秒的時間內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包中的儲能元件電壓，然后在10毫秒內(nèi)進入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)中獲取儲能元件電壓值，然后將其顯示在日志控制臺或Simplicity Connect移動應(yīng)用上。

能量收集應(yīng)用應(yīng)進行優(yōu)化，以便在最短的可行時間段內(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讀取儲能元件電壓并開始傳輸它。第一個廣播發(fā)送完成后，應(yīng)用邏輯會將微控制器送入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)射功率和廣播時間會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

該示例使用了一個雙能量收集擴展板，鋰電容作為儲能元件，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)時才會喚醒，然后重新進入EM4模式。

通電復(fù)位后，應(yīng)用程序從雙能量收集擴展板上的e-peas PMIC讀取儲能電壓，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)射功率和廣播時間會顯著影響成功傳輸開關(guān)狀態(tài)所需的能耗。在我們的實現(xiàn)中，您可以改變休眠級別和持續(xù)時間，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能量收集動能開關(guān)

該項目旨在實現(xiàn)一個無線開關(guān)設(shè)備，搭配xG22E Explorer Kit和Kinetic Harvester Shield一起使用，后者是集成了動能開關(guān)電源和e-peas電源管理芯片的擴展板。

無線SoC通常處于斷電狀態(tài)。當按下動能開關(guān)時，設(shè)備瞬間由動能收集器供電，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。

動能開關(guān)擴展板是這一應(yīng)用的主要能量來源，它是一種無電池應(yīng)用。當按下開關(guān)時，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間段內(nèi)僅傳輸最少的所需信息。

當按下開關(guān)后，電路通電，SoC啟動并發(fā)送多個廣播數(shù)據(jù)包。它一直在發(fā)送，直到在SoC的去耦電容中存儲的能量耗盡，并發(fā)生欠壓復(fù)位。觀察設(shè)備至少會接收3個可見的廣播數(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：藍牙 - SoC能量收集應(yīng)用觀察器

該項目旨在實現(xiàn)一個用于藍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。當連接到開關(guān)設(shè)備時，LED會提供視覺反饋。

該項目實現(xiàn)了一個用于藍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。

當觀察器啟動時，它會開始掃描/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

該項目展示了一個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)備會定期喚醒，并向配對的設(shè)備發(fā)送報告，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)先配置的時間間隔內(nèi)，綠色能源設(shè)備會喚醒，從電源管理芯片（PMIC）中讀取當前的儲能電壓，并將此數(shù)據(jù)報告給綠色能源組合設(shè)備，從而實現(xiàn)高能效和可持續(xù)的運行。

應(yīng)用固件的工作原理如上圖所示。與標準Zigbee設(shè)備不同的是，綠色能源設(shè)備不會與其母設(shè)備保持持續(xù)的Zigbee連接。相反，它在調(diào)試后大部分時間都會進入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，它們必須在喚醒時重新初始化。

在調(diào)試之前，設(shè)備會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，無需電池或其他儲能元件。

由于縮短了啟動時間，該無線SoC利用從動能開關(guān)獲取的電能運行，可迅速喚醒并向配對的綠色能源組合設(shè)備發(fā)送報告。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)議的一項特殊功能，專為超低功耗、能量收集設(shè)備（如動能開關(guān)）而設(shè)計，無需傳統(tǒng)電池或儲能元件。與標準Zigbee不同，Green Power使用無需確認（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)計實現(xiàn)了可持續(xù)、免維護的性能和安全調(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，通常會中斷供電。只有在調(diào)試完成后，綠色能源狀態(tài)才會存儲在非易失性存儲器（NVM）中，以優(yōu)化能效。

調(diào)試完成后，動能開關(guān)會生成綠色能源數(shù)據(jù)幀，以控制遠程綠色能源組合設(shè)備的LED燈，這是測試系統(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)，在按下動能開關(guān)（即能量脈沖啟動系統(tǒng)）時啟動。在正常運行期間，SoC會喚醒、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

該項目展示了一個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)備允許多個綠色能源設(shè)備與其配對。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)備在一個應(yīng)用中集成了代理和接收器實例。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)備與標準Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。它將綠色能源數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成標準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。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，它會切換LED燈并啟動一個1秒計時器。在計時器到時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。

有關(guān)7個應(yīng)用示例的更多信息，請訪問以下參考資料：

藍牙 - SoC能量收集傳感器GitHub頁面

Bluetooth RAIL - SoC能量收集傳感器GitHub頁面

Bluetooth RAIL - 能量收集動能開關(guān)GitHub頁面

藍牙 - SoC能量收集應(yīng)用觀察器GitHub頁面

基于Zigbee的綠色能源設(shè)備 - SoC能量收集傳感器GitHub頁面

基于Zigbee的綠色能源設(shè)備 - SoC能量收集開關(guān)GitHub頁面

Zigbee綠色能源組合 - SoC能量收集觀察器GitHub頁面

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