ZigBee與EnOcean聯(lián)盟組合實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)備的能量收集

標(biāo)準(zhǔn)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基本要素，特別是對于工業(yè)設(shè)備。這在位于網(wǎng)絡(luò)核心的無線連接及其與電池電源的使用中尤為明顯。雖然2.4 GHz頻段中存在一些全球標(biāo)準(zhǔn)，例如ZigBee和潛在的藍(lán)牙，但這些仍然存在無線節(jié)點(diǎn)功耗方面的挑戰(zhàn)，主要是因?yàn)樗褂玫膮f(xié)議更側(cè)重于數(shù)據(jù)連接。雖然這些已經(jīng)為具有有線功率的系統(tǒng)帶來了吸引力，但是已經(jīng)開始收集能量，特別是在工業(yè)應(yīng)用中，并且這些協(xié)議可能過于耗電。

在擁有數(shù)千或數(shù)十個的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)千個電池供電的無線節(jié)點(diǎn)，取代電池是一項(xiàng)主要的運(yùn)營成本和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)。必須安排電池更換，以確保節(jié)點(diǎn)不會發(fā)生故障，并且不會遺漏重要數(shù)據(jù)。由于這些網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)并且數(shù)據(jù)被饋送到云中進(jìn)行分析和監(jiān)控，因此這種可靠性更為重要。

因此，EnOcean等組織開發(fā)了自己的無線協(xié)議，通?；谠谛⌒碗妶?bào)數(shù)據(jù)上，使用微量的電力，可以從室內(nèi)照明，熱差異或設(shè)備本身的振動中清除。即使可用的能量不足以獲得恒定功率，使用能量收集來為電池充電也可以將無線節(jié)點(diǎn)的電池壽命大大延長到多年，從而提高了對該技術(shù)的接受度并使得能夠推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。

圖1所示的EnOcean EDK350開發(fā)套件包括一個帶有USB 300 USB網(wǎng)關(guān)的編程器/演示板，用于連接PC以控制TCM 320收發(fā)器模塊和STM 300傳感器模塊。它還包括一個太陽能溫度傳感器，按鈕發(fā)射器，機(jī)械能發(fā)電機(jī)和發(fā)射器模塊，以演示自供電網(wǎng)絡(luò)的所有元素。

圖1：EDK350開發(fā)套件包含使用EnOcean的超低功耗協(xié)議構(gòu)建自供電網(wǎng)絡(luò)所需的所有元素。

然而，ZigBee等全球標(biāo)準(zhǔn)與EnOcean的能源優(yōu)化協(xié)議之間存在不匹配。雖然ZigBee擁有十多家芯片供應(yīng)商，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供無線節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的選擇，但EnOcean聯(lián)盟仍然依賴于一家公司EnOcean作為底層收發(fā)器，即使協(xié)議是作為國際ISO/IEC 14543-的一部分開放的 - 3-1X標(biāo)準(zhǔn)。這限制了希望將能量收集用于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)人員的選擇。

最新版本的ZigBee 3.0版現(xiàn)在旨在結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢，創(chuàng)建一個開放的全球規(guī)范，將能量收集無線通信擴(kuò)展到更廣泛的自供電IoT傳感器解決方案。

圖2：ZigBee 3.0旨在為可以使用能量收集的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)奠定可互操作協(xié)議的基礎(chǔ)。

ZigBee 3.0的目標(biāo)是提供簡化的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通過不僅在應(yīng)用程序和協(xié)議層提供規(guī)范，而且現(xiàn)在在物理層提供規(guī)范，減少行業(yè)碎片，特別是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從而減少產(chǎn)品開發(fā)（圖2）。與EnOcean聯(lián)盟達(dá)成的協(xié)議是沿著這條道路邁出的第一步，因?yàn)檫@兩個團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合開發(fā)ZigBee 3.0生態(tài)系統(tǒng)規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)可互操作的自供電物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

這將實(shí)現(xiàn)第一個單一的統(tǒng)一，開放和完整的無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)解決方案，從物理層到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層一直延伸，并包括認(rèn)證和品牌推廣，以提高不斷增長的互操作性zigBee 3.0定義的互操作性將允許來自不同供應(yīng)商的自供電設(shè)備即插即用，大大增加了批量商機(jī)，從而降低了成本。底層組件，包括當(dāng)前的ZigBee硅控制器和收發(fā)器（見圖3和圖4）。

面臨的挑戰(zhàn)是在全球可用的未經(jīng)許可的2.4 GHz頻段中使用EnOcean電報(bào)方法，該頻段已用于Wi-Fi等大容量消費(fèi)類應(yīng)用，允許無電池設(shè)備安全地連接網(wǎng)絡(luò)各種能量收集應(yīng)用。

這兩個小組將根據(jù)這一全球標(biāo)準(zhǔn)定義全球能量收集無線解決方案的技術(shù)規(guī)范，使EnOcean Alliance的1500名成員能夠訪問當(dāng)前sub-GHz網(wǎng)絡(luò)之外的應(yīng)用家庭和商業(yè)樓宇自動化。

來自ZigBee聯(lián)盟和EnOcean聯(lián)盟的技術(shù)任務(wù)組正在定義將標(biāo)準(zhǔn)化的EnOcean設(shè)備配置文件（EEP）與ZigBee 3.0協(xié)議結(jié)合在2.4 GHz IEEE 802.15中所需的技術(shù)規(guī)范。 4標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)劃在2016年第二季度完成規(guī)范的定義。

這對兩者之間的通用協(xié)議層的支持是這是簡化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)的幾個步驟中的第一步，可編程的靈活硅控制器是此舉的核心。能夠?qū)⒊凸腅nOcean協(xié)議與現(xiàn)有的2.4 GHz收發(fā)器配合使用，開辟了廣泛的現(xiàn)有控制器，進(jìn)一步降低了功耗，使設(shè)備可以使用能量收集。

恩智浦的KW40Z是一款超低功耗，高度集成的單芯片設(shè)備，適用于802.15.4射頻連接。如圖3所示，它集成了工作在2.36 GHz至2.48 GHz范圍內(nèi)的無線電收發(fā)器，支持一系列FSK/GFSK，可支持EnOcean協(xié)議以及802.15.4-2011中定義的O-QPSK調(diào)制。/p>

圖3：恩智浦的KW40Z是一款高度集成的ZigBee控制器和收發(fā)器，適用于超低功耗設(shè)計(jì)。

該設(shè)備可以是在應(yīng)用程序中用作黑盒調(diào)制解調(diào)器，以將802.15.4連接添加到現(xiàn)有嵌入式控制器系統(tǒng)，或用作具有嵌入式應(yīng)用程序的獨(dú)立智能無線傳感器，無需主機(jī)控制器。恩智浦提供完全認(rèn)證的協(xié)議棧和應(yīng)用程序配置文件以支持KW40Z，并且作為ZigBee合作伙伴正在開發(fā)ZigBee 3.0版本，該版本作為控制器上的固件實(shí)現(xiàn)。閃存和SRAM存儲器可用于使用恩智浦或第三方軟件開發(fā)工具的應(yīng)用程序和通信協(xié)議。

通過Cortex M0 + CPU內(nèi)核中的代碼執(zhí)行效率和多個低電平，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長電池壽命設(shè)備的電源工作模式，這些允許內(nèi)核快速喚醒以發(fā)送電報(bào)（1 ms）并再次關(guān)閉。這將進(jìn)一步降低EnOcean能量收集模式的功率。

集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)0.9 V至4.2 V的寬工作范圍，允許設(shè)備使用單個紐扣電池工作在整個有效電壓范圍0.9 V至1.795 V范圍內(nèi)，峰值Rx和Tx電流消耗顯著降低。此功能可用于能量收集操作。

Silicon Labs的Ember EM358x是另一個完全集成的系統(tǒng)ZigBee的芯片，采用符合802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器和功能更強(qiáng)大的ARM Cortex-M3微處理器。

圖4：來自Silicon Labs的EM358x集成了一個Cortex-M3處理器內(nèi)核來處理ZigBee協(xié)議。

如圖所示在上面的圖4中，收發(fā)器使用的有效架構(gòu)超過了IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動態(tài)范圍要求超過15 dB，并且集成的接收信道濾波允許與其他通信標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大共存。 2.4 GHz頻譜。集成穩(wěn)壓器，VCO，環(huán)路濾波器和功率放大器可將外部元件數(shù)量保持在較低水平。

為了保持ZigBee標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的時序要求，EM358x將許多MAC功能，AES128加密加速器和自動CRC處理集成到硬件中，所有這些功能都將用于融合的ZigBee 3.0實(shí)現(xiàn)。 MAC硬件處理自動ACK發(fā)送和接收，自動退避延遲以及用于傳輸?shù)目臻e信道評估，以及自動過濾接收的分組。高頻內(nèi)部RC振蕩器允許處理器內(nèi)核在喚醒時快速開始執(zhí)行代碼，以最大限度地縮短喚醒時間，并提供各種深度睡眠模式，功耗低于2μA，同時保留RAM內(nèi)容。

ZigBee的這種經(jīng)驗(yàn)，加上低功耗處理器，如32位EFM32JG Jade Gecko和Silicon Labs在能量收集設(shè)計(jì)中的8位控制器的專業(yè)知識，共同為ZigBee 3.0系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的平臺。

結(jié)論

ZigBee與EnOcean聯(lián)盟的結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)針對能量收集而優(yōu)化的超低功耗設(shè)備的全球生態(tài)系統(tǒng)。利用ZigBee芯片合作伙伴的硅專業(yè)知識添加EnOcean低功耗協(xié)議意味著當(dāng)技術(shù)規(guī)范達(dá)成一致時，現(xiàn)有硬件可以輕松升級為新的ZigBee 3.0標(biāo)準(zhǔn)。這將允許工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以自供電或使用能量收集來顯著延長可充電電池的壽命，從而降低開發(fā)成本和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本。