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）并不是一個時興的名詞，但是物聯網技術的進步以及諸如Silicon Labs（芯科科技）的物聯網產品以及開發(fā)套件，使能量收集技術的應用也變得更加的實際和廣闊。例如非常便于應用的EFR32xG22E能量收集開發(fā)套件是設計節(jié)能物聯網應用的一個理想起點，可用于探索和評估芯科科技多協議無線片上系統(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，芯科科技設計了7個應用示例。
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和廣播數據，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秒的時間內廣播數據包中的儲能元件電壓，然后在10毫秒內進入EM2模式，然后喚醒并再次廣播。傳感器件將重復上述過程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，并從廣播數據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移動應用上。
能量收集應用應進行優(yōu)化，以便在最短的可行時間段內僅傳輸所需的最少信息。這類休眠型能量收集設備在其生命周期的大部分時間都處于EM4深度休眠狀態(tài)。
通電復位后，應用從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，并重復此發(fā)送周期兩次。在發(fā)送第三條信息后，設備立即進入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據所需的能耗。用戶可以根據具體情況重新配置這些參數。
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。
該設備的工作原理是從PMIC（AEM13920 - 電源管理芯片）獲取傳感器讀數，然后使用RAIL創(chuàng)建低功耗數據包，并將該數據包廣播為不可連接，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據包以降低能耗。
為了優(yōu)化節(jié)能效果，設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)布數據時才會喚醒，然后重新進入EM4模式。
通電復位后，應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據包。
第一條廣播發(fā)送完成后，應用邏輯會將微控制器送入EM2休眠模式，保持1秒鐘，并重復此發(fā)送周期兩次。在發(fā)送第三條信息后，設備立即進入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狀態(tài)所需的能耗。在我們的實現中，您可以改變休眠級別和持續(xù)時間，并根據可用能量或已知能量預算修改有效載荷大小和傳輸次數。
示例三：Bluetooth RAIL - SoC能量收集動能開關
該項目旨在實現一個無線開關設備，搭配xG22E Explorer Kit和Kinetic Harvester Shield一起使用，后者是集成了動能開關電源和e-peas電源管理芯片的擴展板。
無線SoC通常處于斷電狀態(tài)。當按下動能開關時，設備瞬間由動能收集器供電，使其能夠傳輸廣播數據包，直到能量耗盡，設備再次斷電。該示例應用程序傳輸的數據包包含設備名稱。
動能開關擴展板是這一應用的主要能量來源，它是一種無電池應用。當按下開關時，它提供的能量有限；因此，該應用經過優(yōu)化，以便在最短的可行時間段內僅傳輸最少的所需信息。
當按下開關后，電路通電，SoC啟動并發(fā)送多個廣播數據包。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)生欠壓復位。觀察設備至少會接收3個可見的廣播數據包。廣播數據包可用于觸發(fā)觀察器中的狀態(tài)改變，例如控制LED燈或電源開關。
示例四：藍牙 - SoC能量收集應用觀察器
該項目旨在實現一個用于藍牙能量收集示例的觀察器設備。該設備可掃描和分析來自能量收集開關/傳感器件的廣播數據包，并通過串行端口輸出發(fā)送端的信息。當連接到開關設備時，LED會提供視覺反饋。
該項目實現了一個用于藍牙能量收集示例的觀察器設備。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)現廣播設備，尋找名稱為“EH Switch”的開關設備和名稱為“EH Sensor”的傳感器件。一旦找到設備，它就會獲取廣播數據。
示例五：基于Zigbee的綠色能源設備 - SoC能量收集傳感器
該項目展示了一個Zigbee Green Power設備，該設備無需電池，完全由光伏（PV）電池采集的能量供電。該設備會定期喚醒，并向配對的設備發(fā)送報告，展現了一種高能效、可持續(xù)的通信系統(tǒng)。
SoC可作為綠色能源設備（GPD）使用，并通過綠色能源組合（GPC）設備完成調試過程。調試完成后，綠色能源設備進入EM4關閉模式，這是SoC的最低能耗狀態(tài)。在預先配置的時間間隔內，綠色能源設備會喚醒，從電源管理芯片（PMIC）中讀取當前的儲能電壓，并將此數據報告給綠色能源組合設備，從而實現高能效和可持續(xù)的運行。
應用固件的工作原理如上圖所示。與標準Zigbee設備不同的是，綠色能源設備不會與其母設備保持持續(xù)的Zigbee連接。相反，它在調試后大部分時間都會進入EM4關閉模式，這是能耗最低的模式。這種行為是本示例中能量收集設計的核心。在EM4模式下，大多數外圍設備的電源都被關閉，它們必須在喚醒時重新初始化。
在調試之前，設備會演示另一種能耗模式EM2。在EM2模式下，能耗略高于EM4，但大多數外圍設備仍處于工作狀態(tài)，以支持調試過程和其他操作。
示例六：基于Zigbee的綠色能源設備 - SoC能量收集開關
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利用從動能開關獲取的電能運行，可迅速喚醒并向配對的綠色能源組合設備發(fā)送報告。調試成功后，綠色能源設備向綠色能源組合設備發(fā)送切換命令（GPDF），從而實現綠色能源組合上的LED燈控制。
Zigbee Green Power是Zigbee協議的一項特殊功能，專為超低功耗、能量收集設備（如動能開關）而設計，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據傳輸和能耗。
該解決方案采用芯科科技的EFR32MG22ESoC，動能開關通過按下按鈕為綠色能源通信幀提供能量。超低功耗設計實現了可持續(xù)、免維護的性能和安全調試，這是帶外數據（OOB）的替代方法，提供了一個安全調試過程的示例，在能源受限的系統(tǒng)中使用GP協議，通常會中斷供電。只有在調試完成后，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。
調試完成后，動能開關會生成綠色能源數據幀，以控制遠程綠色能源組合設備的LED燈，這是測試系統(tǒng)所必需的。
與電池供電應用不同，SoC通常處于斷電狀態(tài)，在按下動能開關（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綠色能源組合設備，用作能量收集型綠色能源設備的觀察器。該綠色能源組合設備允許多個綠色能源設備與其配對。綠色能源組合設備可以接收和處理綠色能源數據幀，并將綠色能源數據幀轉換為Zigbee集群庫（ZCL）數據包。它的網絡能力符合Zigbee規(guī)范的要求，既可自行組建一個分布式Zigbee網絡，也可加入現有網絡，例如由Raspberry Pi上的Home Assistant協調器組成的網絡。
該應用展示了綠色能源組合設備的功能，該設備在一個應用中集成了代理和接收器實例。綠色能源組合設備與綠色能源設備相互作用，綠色能源設備通常是能量收集、無電池或超長電池壽命設備，如開關和傳感器。綠色能源組合設備是超低功耗綠色能源設備與標準Zigbee網絡之間的橋梁。它將綠色能源數據幀轉換成標準Zigbee集群庫幀，供網絡的其他部分理解使用。
綠色能源組合設備與綠色能源設備之間的通信由Zigbee綠色能源調試過程啟動。綠色能源組合設備參與新綠色能源設備的調試過程，幫助它們安全地集成到Zigbee網絡中。綠色能源設備使用一種稱為綠色能源設備幀的緊湊信息格式，以盡可能減少傳輸過程中的能耗。綠色能源組合設備接收這些綠色能源設備幀并進行處理。支持與綠色能源設備的安全通信，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。當綠色能源組合設備收到來自綠色能源設備的切換命令時，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。
綠色能源組合設備支持虛擬通信端口功能，可用于輸出調試信息。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絡組建和綠色能源調試，具體取決于vcom是啟用還是禁用。
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