物聯(lián)網(wǎng)是當前最炙手可熱的技術發(fā)展，但是許多物聯(lián)網(wǎng)設備仍必須仰賴電池來供應電力，而電池的消耗正對想要發(fā)展一個更加可持續(xù)的互聯(lián)世界，帶來了嚴苛的挑戰(zhàn)。如何利用能量收集技術來減少電池的消耗，正成為物聯(lián)網(wǎng)應用的熱門發(fā)展方向。本文將為您介紹能量收集技術在物聯(lián)網(wǎng)設備上的應用，以及由Silicon Labs（芯科科技）與合作伙伴所推出的相關解決方案。

電池問題是可持續(xù)發(fā)展目標中的嚴峻挑戰(zhàn)

在如今注重可持續(xù)發(fā)展的世界中，眾多的企業(yè)、消費者和國家/地區(qū)正努力于應對日益城市化所帶來的不斷增長的能源需求，追求碳中和的目標已經(jīng)是必不可少的趨勢，采用既能盡量減少浪費，又能為用戶提供節(jié)能效益的技術解決方案變得至關重要，物聯(lián)網(wǎng)應用則正面臨著迎接這一轉變的挑戰(zhàn)。

當我們想到物聯(lián)網(wǎng)時，我們會想到一個由智能、創(chuàng)新設備驅動的無縫連接的世界。但是，這些設備需要什么來保持這種連接性呢？較為簡單的答案便是——電源，在大多數(shù)情況下則是指傳統(tǒng)電池。雖然電池可以勝任并滿足這些設備的目的，但確實存在許多的缺點。

經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每年有超過150億個廢舊電池被送往垃圾填埋場，這導致約900,000噸有害的土壤和地下水污染廢物被排放。此外，僅在美國，平均每個家庭每年就會購買90塊以上的電池，其中大多數(shù)均未達10年的使用壽命。在2025年時，預計約有250億臺物聯(lián)網(wǎng)設備投入運行，每天則需要更換600萬塊電池。

這些數(shù)據(jù)指出了傳統(tǒng)電池的三個主要問題——不便和不當?shù)奶幹梅绞?、不斷的更換和可擴展性問題。這些缺陷不僅會對這些設備的功能和可靠性產(chǎn)生不利影響，而且還會阻礙智能物聯(lián)網(wǎng)應用向無電池、節(jié)能的未來轉變。為了應對傳統(tǒng)電池給設備制造商帶來的挑戰(zhàn)，并盡量減少一個更具無縫連接性的世界對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成的威脅，我們現(xiàn)在有一類新型和新興的聯(lián)網(wǎng)設備——統(tǒng)稱為環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)是指依靠磁場和電場、光、熱、動能和聲音等自然界中可利用的能源，為其提供動力的一類物聯(lián)網(wǎng)設備。這種從我們周圍的環(huán)境能源中提取運行功率的方法，消除了在物聯(lián)網(wǎng)設備中使用電池的需求。

借助環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)，我們備受喜愛的智能設備現(xiàn)在可以依靠自然能源來獲取電力并維持連接性，而不是依靠傳統(tǒng)電池。這些能源（如光、熱、運動等）不僅延長了設備的使用壽命，并且還顯著降低了電池對環(huán)境的不利影響。

用于能量收集的創(chuàng)新無線互聯(lián)片上系統(tǒng)

Silicon Labs是創(chuàng)新和萬物互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)領域的一家領先公司，其使命是讓開發(fā)人員能夠創(chuàng)造無線聯(lián)網(wǎng)設備，從而改變行業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟，并改變人們的生活。Silicon Labs現(xiàn)在已經(jīng)優(yōu)化了xG22系列SoC（片上系統(tǒng)），以納入支持能量收集的功能，Silicon Labs新的能量優(yōu)化xG22E SoC系列可支持物聯(lián)網(wǎng)設備的所有節(jié)能需求。

這個系列的電源封裝的MCU可提供8ms的上電復位（PoR），僅消耗150微焦耳（μJ）的能量，EM4喚醒僅需1.83毫秒，僅消耗16.6 μJ的能量。此外，它還提供很高的射頻（RF）性能、多協(xié)議支持和2.4GHz操作。它還支持多個電源和電源管理器件，使用戶能夠探索超級電容器等新的電池技術。

以EFR32xG22E為例，它具有超快速低能耗的冷啟動、低能耗的深度睡眠喚醒和高效的能源模式轉換，可減輕有害電流尖峰，并防止損壞蓄電池，是市場上可靠的無線遠程SoC之一。

xG22E SoC在市場上常見的一些應用包括智能家居和家電、游戲類電子設備、智能建筑，以及其他一些關鍵應用。像是在智能家居和家電中，門、水龍頭和開關等Zigbee智能家居和家電，均可以使用能量收集發(fā)電機，來消除對電池的依賴及其相關的更換成本。在游戲類電子設備中，室內太陽能電視遙控器和計算機鍵盤都需要節(jié)能且經(jīng)濟高效的藍牙LE SoC。在智能建筑應用中，使用xG22E Zigbee Green Power可進行無電池門把手和電燈開關控制的動能脈沖收集，有助于減少不斷更換電池的需求。其他一些關鍵應用包括輪胎壓力監(jiān)測傳感器、資產(chǎn)跟蹤、電子貨架標簽（ESL）、工廠自動化、預測性維護和農(nóng)業(yè)。

創(chuàng)新的先進能量收集屏蔽體套件解決方案

為了幫助設備制造商構建完整的能量收集解決方案，Silicon Labs與行業(yè)領先的電源管理集成電路（PMIC）提供商e-peas合作，共同開發(fā)了一個適用于新的電源優(yōu)化xG22E Explorer套件的先進能量收集屏蔽體套件。

該套件配有三個專用屏蔽體，緊貼在Explorer套件板上，該板已經(jīng)過優(yōu)化，可隔離任何電力泄漏并方便外部測量。第一個屏蔽體允許使用替代電池化學物質和超級電容器進行試驗。第二個屏蔽體專門用于動能／脈沖收集應用，并使用了e-peas AEM00300。這些屏蔽體提供了多個測試點，有助于調試及測量功耗。第三個屏蔽體使用了e-peas新穎而先進的PMIC AEM13920，這種屏蔽體使開發(fā)人員能夠同時使用雙重能量收集來源進行試驗。該套件附帶了大量適用于藍牙和Zigbee Green Power的經(jīng)重新審視的示例應用，并提供了有關如何設置PMIC和優(yōu)化代碼，以進行基于能源的決策說明。

以EFR32xG22E Explorer套件為例，這是超低成本的小封裝開發(fā)與評估平臺，主要用于快速執(zhí)行EFR32xG22E藍牙LE物聯(lián)網(wǎng)應用的原型設計與概念創(chuàng)建。該套件有一個USB接口、一個板載SEGGER J-Link調試器、一個用戶LED和按鈕，并可通過mikroBus插座和Qwiic連接器對硬件附加板提供支持。硬件附加支持允許開發(fā)人員使用來自MIKROE、Sparkfun、AdaFruit和Seeed Studios的現(xiàn)成板，進行幾乎無限的組合來創(chuàng)建和原型化應用。

滿足低功耗、高傳輸效率需求的無線SoC解決方案

Silicon Labs的xG22E SoC包含多個產(chǎn)品線，包括EFR32BG22E系列、EFR32FG22E系列，以及EFR32MG22E系列，以下將為您介紹這些產(chǎn)品的相關特色。

首先介紹EFR32BG22系列2藍牙無線SoC，包括EFR32BG22和EFR32BG22E低功耗藍牙（LE）無線SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。這些器件的設計高度注重能源效率，提供一流的超低傳輸功率和接收功率，高性能、低功耗Arm Cortex -M33內核提供業(yè)界領先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長長達十年。

BG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應用，而BG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。Silicon Labs的BG22和BG22E系列是適用于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)或能量收集設備的市場領先的理想SoC。目標應用包括藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡低功耗節(jié)點、智能門鎖、個人醫(yī)療保健和健身設備。資產(chǎn)跟蹤標簽、信標和室內導航也將受益于SoC的多用途藍牙到達角（AOA）和出發(fā)角（AOD）功能以及亞米級定位精度。

EFR32FG22系列2專有無線2.4 Ghz SoC包含EFR32FG22和EFR32FG22E專有無線2.4 Ghz SoC，該解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。FG22 SoC將38.4 MHz Arm Cortex-M33內核與TrustZone以及接收靈敏度達-102.3 dBm的高性能無線電集成在一起。FG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應用，而FG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。這款SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下為8.2 mA TX，3.6 mA RX）、1.2 μA深度睡眠模式功率，以及諸如RFSense之類創(chuàng)新低功耗功能組合在一起，提供業(yè)界領先的能源效率，可延長電池有限或能量收集選項的產(chǎn)品（如電子貨架標簽和工業(yè)無線傳感器節(jié)點使用的產(chǎn)品）的運行壽命。

EFR32MG22系列2 Zigbee SoC包括EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC，該解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。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 ARM Cortex-M33內核。MG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應用，而MG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。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深入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)議的應用（包括綠色電源）提供業(yè)界領先的節(jié)能解決方案。物聯(lián)網(wǎng)應用包括智能家居傳感器、照明控制，以及建筑和工業(yè)自動化。

結語

當我們邁向更加智能與互聯(lián)的未來，能量收集技術正扮演著關鍵推手。通過將環(huán)境中無處不在的能量，如光能、熱能、振動能與射頻能轉化為電能，不僅能降低對傳統(tǒng)電源的依賴，更能延長設備壽命、減少電池廢棄物，實現(xiàn)真正的低碳與永續(xù)發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量快速增加，能量收集將成為支持其長期穩(wěn)定運作的重要基礎。本文所介紹的Silicon Labs推出的能量收集相關SoC解決方案，將在構建更綠色、高效且具韌性的互聯(lián)世界中，發(fā)揮不可或缺的核心作用。

本文轉載自艾睿電子網(wǎng)站