利用能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)

許多無(wú)法連接市電的嵌入式系統(tǒng)通常會(huì)采用電池供電，但當(dāng)電池電量用完時(shí)，更換電池的維護(hù)成本相對(duì)較高，并造成相當(dāng)多的困擾，若能通過(guò)能量收集技術(shù)來(lái)為系統(tǒng)永續(xù)供電，便可解決這個(gè)問(wèn)題。本文將為您介紹如何利用能量收集技術(shù)來(lái)建立永久運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，以及由SiliconLabs（芯科科技）推出的相關(guān)解決方案。

追求實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)

能量收集技術(shù)正在迅速成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的可行電源選擇，使無(wú)線傳感器能夠用于以前傳統(tǒng)電池供電設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，能量收集電源使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松構(gòu)建范圍超過(guò)100米、使用壽命超過(guò)20年的超薄無(wú)線傳感器。

能量收集系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行，能量收集系統(tǒng)可以通過(guò)確保收集到的能量，能夠滿足或超過(guò)系統(tǒng)在運(yùn)行期間消耗的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。能源管理是設(shè)計(jì)能量收集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵方面，第一步是確定采集器的可用功率輸出，能量采集器可將太陽(yáng)能、機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能采集器具有最高的功率密度，能夠采集15 mW/cm2的表面積，最大化能量收集器的輸出功率，對(duì)于構(gòu)建強(qiáng)大的能量收集系統(tǒng)至關(guān)重要。

在設(shè)計(jì)能量收集系統(tǒng)時(shí)最重要的是提供足夠的功能和最小化嵌入式系統(tǒng)的功耗，通過(guò)選擇具有低泄漏規(guī)格的元器件，并使用超低功耗微控制器（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx無(wú)線MCU），可以實(shí)現(xiàn)低功耗。大多數(shù)用于在電池供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低功耗操作的技術(shù)，都可用于最大限度地減少能量收集系統(tǒng)中的功耗。

讓我們看一個(gè)太陽(yáng)能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的示例，該節(jié)點(diǎn)每20分鐘以10 μA的平均電流傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)配備了太陽(yáng)能電池板，可在白天提供50 μA的連續(xù)電流。白天可用于給電池充電的凈電流為40 μA，夜間電池以10 μA的速率放電。只要系統(tǒng)每天暴露在至少4.8小時(shí)的日光下，能量收集系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。

薄膜電池平衡收獲和消耗的平均功率

能夠?qū)崿F(xiàn)永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)有兩類(lèi)，每一類(lèi)的能量存儲(chǔ)機(jī)制各不相同。第一種類(lèi)型需要長(zhǎng)時(shí)間收集和積累能量，并使用泄漏極低、高容量的能量容器，例如薄膜電池。通過(guò)平衡收獲的平均能量和消耗的平均功率來(lái)實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。此類(lèi)能量收集系統(tǒng)最為靈活，通常會(huì)在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)高功耗。這些系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于低功耗睡眠模式，始終通電并隨時(shí)收集能量。此類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)示例是太陽(yáng)能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。

第二種類(lèi)型的能量收集系統(tǒng)保持在未通電狀態(tài)，直到檢測(cè)到能量脈沖、收集能量，并將其存儲(chǔ)在低阻抗能量容器（例如電容器）中。短暫上電復(fù)位后，系統(tǒng)使用從能量脈沖收集的有限能量執(zhí)行必要的系統(tǒng)功能。通過(guò)平衡執(zhí)行任務(wù)時(shí)消耗的總能量和單個(gè)脈沖中收獲的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。此類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)例子是無(wú)線燈具開(kāi)關(guān)，它使用機(jī)械開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的能量，將射頻信號(hào)傳輸?shù)轿挥跓艟咛幍?a target="_blank">接收器。

鈕扣電池、AA鋰電池和鋰亞硫酰氯電池等傳統(tǒng)電池已在需要長(zhǎng)壽命的嵌入式系統(tǒng)中使用多年，薄膜電池的引入為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在成本、尺寸和安全性之間進(jìn)行權(quán)衡創(chuàng)造了一種新的選擇。由于開(kāi)發(fā)人員不斷面臨降低系統(tǒng)成本的壓力，經(jīng)濟(jì)型鈕扣電池似乎是降低制造成本，以及將產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)的最佳解決方案。然而，更換鈕扣電池時(shí)會(huì)產(chǎn)生隱性成本。

如果您認(rèn)為薄膜電池的總壽命儲(chǔ)能容量超過(guò)30個(gè)CR2032鈕扣電池，您很快就會(huì)得出結(jié)論，與更換30個(gè)鈕扣電池的成本相比，薄膜電池的初始成本微乎其微，并超過(guò)嵌入式系統(tǒng)生命周期的數(shù)倍。

在考慮電池尺寸時(shí)，薄膜電池的外形是所有電池類(lèi)型中最薄的（小至0.17 mm）。薄膜電池的總壽命容量相當(dāng)于四節(jié)鋰“AA”電池或一節(jié)“C”型鋰亞硫酰氯電池，薄膜電池非常適合需要超薄外形和長(zhǎng)電池壽命的空間有限的嵌入式系統(tǒng)。

此外，薄膜電池不會(huì)帶來(lái)與大型傳統(tǒng)電池相關(guān)的安全問(wèn)題，例如易燃和爆炸危險(xiǎn)。由于薄膜電池是可充電的，因此在任何給定時(shí)間僅存儲(chǔ)其總壽命容量的一部分，如果電池意外短路或暴露在極熱或明火中，這將使電池更加安全。薄膜電池產(chǎn)生的廢物也比大型傳統(tǒng)電池少得多，傳統(tǒng)電池通常最終被扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)而不是被回收。

能量收集參考設(shè)計(jì)加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗一直是影響著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，各種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)背后的組織，致力于幫助滿足消費(fèi)者對(duì)該領(lǐng)域的設(shè)備降低功耗的期望，ZigbeeGreen Power便是在設(shè)計(jì)無(wú)線通信時(shí)，考慮到能量收集的一個(gè)很好的例子。

Silicon Labs和艾睿電子共同開(kāi)發(fā)了一種基于Silicon Labs EFR32MG22片上系統(tǒng)（SoC）的能量收集參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將Zigbee Green Power燈具開(kāi)關(guān)與能量收集電源管理配對(duì)。MG22設(shè)計(jì)用于Zigbee協(xié)議，尺寸緊湊，并擁有先進(jìn)的安全功能，使其成為超低功耗終端設(shè)備的理想選擇。Silicon Labs亦提供節(jié)能型電源管理IC，例如EFP0111，來(lái)提供更佳的電源管理能力。Silicon Labs還可提供MCU、無(wú)線入門(mén)套件，以及提供了強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境的SimplicityStudio，將可協(xié)助客戶快速開(kāi)發(fā)能量收集系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)的核心組件是能量收集發(fā)電機(jī)，此參考設(shè)計(jì)采用了ZF的單穩(wěn)態(tài)發(fā)電機(jī)模塊。這是一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)發(fā)電機(jī)，這意味著按下和釋放開(kāi)關(guān)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生能量，該開(kāi)關(guān)具有兩個(gè)磁極的磁鐵，向下推動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穿過(guò)磁芯并返回到另一極的磁場(chǎng)。然后，當(dāng)用戶釋放開(kāi)關(guān)時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生變化并沿相反方向穿過(guò)核心，這種變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流，這就是我們可以收獲的能量。當(dāng)按下或釋放ZF發(fā)電機(jī)時(shí)，該發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生交流電壓，系統(tǒng)可以利用這種機(jī)械能產(chǎn)生的能量打開(kāi)燈具，其最終目標(biāo)是在開(kāi)關(guān)和燈具之間在不布線的情況下可以開(kāi)起與關(guān)閉燈具。

為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電是一項(xiàng)能源密集型工作，創(chuàng)新無(wú)需電池的設(shè)備供電新方法將簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并有助于創(chuàng)造更清潔的環(huán)境。例如，利用使LED閃爍一次所需的能量就足以傳輸多個(gè)RF信號(hào)。低功耗硅芯片設(shè)計(jì)與針對(duì)低功耗應(yīng)用而優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將為電源管理的新時(shí)代奠定基礎(chǔ)，并為制造商和消費(fèi)者降低巨大的成本和浪費(fèi)。

高性能、低功耗的功率管理解決方案

Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）系列SoC是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Zigbee解決方案，可為智能家居傳感器、照明控制以及樓宇和工業(yè)自動(dòng)化等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)業(yè)界領(lǐng)先的能效。

EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC解決方案是WirelessGecko Series 2平臺(tái)的一部分。MG22系列提供優(yōu)化的Zigbee SoC解決方案，該解決方案融合了帶TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARMCortex-M33內(nèi)核。MG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)用，而MG22E（“E”表示節(jié)能）通過(guò)延長(zhǎng)電池壽命和支持完全無(wú)需電池的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)能優(yōu)勢(shì)。MG22 SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 μA深度睡眠模式功率和低功耗外圍器件組合在一起，為使用Zigbee協(xié)議的應(yīng)用（包括Green Power），提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能解決方案。

Silicon Labs的EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC（PMIC）則是一款靈活、高效、多輸出電源管理IC，可為EFR32和EFM32器件提供完整的系統(tǒng)電源、三個(gè)輸出電壓導(dǎo)軌和主電池電荷計(jì)量功能。EFP0111升壓引導(dǎo)程序PMIC可在1.7至5.2的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，靜態(tài)電流低至150 nA。EFP0111GM20支持從1.5至5.5伏的多種電池，可在提高EFR32和EFM32功耗效率的同時(shí)，為多種不同的電池技術(shù)提供靈活性。

Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz無(wú)線MCU則是將高性能的無(wú)線連接技術(shù)與超低功耗微控制器處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)5 x 6 mm的小封裝。器件支持的頻段范圍為142至1050 MHz，包括集成的高級(jí)數(shù)據(jù)包處理引擎與鏈路預(yù)算高達(dá)146 dB的能力。通過(guò)減小TX、RX、活動(dòng)和睡眠模式電流，以及支持快速喚醒時(shí)間來(lái)優(yōu)化設(shè)備，降低電池支持應(yīng)用的能耗。Si106x MCU與Si108x器件引腳兼容，閃存容量可在8至64 kB間調(diào)整，并提供穩(wěn)健的模擬和數(shù)字外圍器件，包括ADC、雙比較器、定時(shí)器和GPIO。所有器件設(shè)計(jì)均符合802.15.4g智能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，且支持全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括FCC、ETSI和ARIB規(guī)范。

結(jié)語(yǔ)

能量收集技術(shù)已經(jīng)變得相當(dāng)流行，并且由于它為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了許多好處，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年將變得更加普遍。正確設(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)一旦克服了最初的加電重置，就能夠永久運(yùn)行。通過(guò)精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能量收集系統(tǒng)的使用壽命可延長(zhǎng)至20年以上。薄膜電池因其超薄外形和低泄漏特性而常用于能量收集系統(tǒng)，無(wú)需主電源或傳統(tǒng)的可更換電池，設(shè)計(jì)可自主維持嵌入式系統(tǒng)的靈活性，創(chuàng)造了新的應(yīng)用可能性，并為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新領(lǐng)域。SiliconLabs推出的MG22系列Zigbee SoC解決方案、EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC與Si10xx Sub-GHz無(wú)線MCU，將能夠?yàn)槟芰渴占到y(tǒng)提供優(yōu)異的能耗控管能力，確保嵌入式系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，不再有更換電池的困擾。