物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前最炙手可熱的技術(shù)發(fā)展，但是許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍必須仰賴電池來供應(yīng)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(yán)苛的挑戰(zhàn)。如何利用能量收集技術(shù)來減少電池的消耗，正成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的熱門發(fā)展方向。本文將為您介紹能量收集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的應(yīng)用，以及由Silicon Labs（芯科科技）與合作伙伴所推出的相關(guān)解決方案。

電池問題是可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的嚴(yán)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(fèi)者和國家/地區(qū)正努力于應(yīng)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(biāo)已經(jīng)是必不可少的趨勢，采用既能盡量減少浪費(fèi)，又能為用戶提供節(jié)能效益的技術(shù)解決方案變得至關(guān)重要，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用則正面臨著迎接這一轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)。

當(dāng)我們想到物聯(lián)網(wǎng)時，我們會想到一個由智能、創(chuàng)新設(shè)備驅(qū)動的無縫連接的世界。但是，這些設(shè)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(shè)備的目的，但確實(shí)存在許多的缺點(diǎn)。

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(dǎo)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(dá)10年的使用壽命。在2025年時，預(yù)計約有250億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入運(yùn)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(dāng)?shù)奶幹梅绞?、不斷的更換和可擴(kuò)展性問題。這些缺陷不僅會對這些設(shè)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(yīng)用向無電池、節(jié)能的未來轉(zhuǎn)變。為了應(yīng)對傳統(tǒng)電池給設(shè)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(shè)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(shè)備。這種從我們周圍的環(huán)境能源中提取運(yùn)行功率的方法，消除了在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)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(yùn)動等）不僅延長了設(shè)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(lǐng)域的一家領(lǐng)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(shè)備，從而改變行業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟(jì)，并改變?nèi)藗兊纳睢ilicon 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(shè)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(fù)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(shù)。

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(zhuǎn)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(yuǎn)程SoC之一。

xG22E SoC在市場上常見的一些應(yīng)用包括智能家居和家電、游戲類電子設(shè)備、智能建筑，以及其他一些關(guān)鍵應(yīng)用。像是在智能家居和家電中，門、水龍頭和開關(guān)等Zigbee智能家居和家電，均可以使用能量收集發(fā)電機(jī)，來消除對電池的依賴及其相關(guān)的更換成本。在游戲類電子設(shè)備中，室內(nèi)太陽能電視遙控器和計算機(jī)鍵盤都需要節(jié)能且經(jīng)濟(jì)高效的藍(lán)牙LE SoC。在智能建筑應(yīng)用中，使用xG22E Zigbee Green Power可進(jìn)行無電池門把手和電燈開關(guān)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(guān)鍵應(yīng)用包括輪胎壓力監(jiān)測傳感器、資產(chǎn)跟蹤、電子貨架標(biāo)簽（ESL）、工廠自動化、預(yù)測性維護(hù)和農(nóng)業(yè)。

創(chuàng)新的先進(jìn)能量收集屏蔽體套件解決方案

為了幫助設(shè)備制造商構(gòu)建完整的能量收集解決方案，Silicon Labs與行業(yè)領(lǐng)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(jìn)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(xué)物質(zhì)和超級電容器進(jìn)行試驗(yàn)。第二個屏蔽體專門用于動能／脈沖收集應(yīng)用，并使用了e-peas AEM00300。這些屏蔽體提供了多個測試點(diǎn)，有助于調(diào)試及測量功耗。第三個屏蔽體使用了e-peas新穎而先進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)。該套件附帶了大量適用于藍(lán)牙和Zigbee Green Power的經(jīng)重新審視的示例應(yīng)用，并提供了有關(guān)如何設(shè)置PMIC和優(yōu)化代碼，以進(jìn)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(lán)牙LE物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的原型設(shè)計與概念創(chuàng)建。該套件有一個USB接口、一個板載SEGGER J-Link調(diào)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(jìn)行幾乎無限的組合來創(chuàng)建和原型化應(yīng)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(guān)特色。

首先介紹EFR32BG22系列2藍(lán)牙無線SoC，包括EFR32BG22和EFR32BG22E低功耗藍(lán)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(shè)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(nèi)核提供業(yè)界領(lǐng)先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長長達(dá)十年。

BG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)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(shè)計，進(jìn)一步增強(qiáng)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(shè)備的市場領(lǐng)先的理想SoC。目標(biāo)應(yīng)用包括藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點(diǎn)、智能門鎖、個人醫(yī)療保健和健身設(shè)備。資產(chǎn)跟蹤標(biāo)簽、信標(biāo)和室內(nèi)導(dǎo)航也將受益于SoC的多用途藍(lán)牙到達(dá)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(nèi)核與TrustZone以及接收靈敏度達(dá)-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(yīng)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(shè)計，進(jìn)一步增強(qiáng)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(lǐng)先的能源效率，可延長電池有限或能量收集選項(xiàng)的產(chǎn)品（如電子貨架標(biāo)簽和工業(yè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用的產(chǎn)品）的運(yùn)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(nèi)核。MG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)用，而MG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設(shè)計，進(jìn)一步增強(qiáng)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(yīng)用（包括綠色電源）提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能解決方案。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jié)語

當(dāng)我們邁向更加智能與互聯(lián)的未來，能量收集技術(shù)正扮演著關(guān)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(zhuǎn)化為電能，不僅能降低對傳統(tǒng)電源的依賴，更能延長設(shè)備壽命、減少電池廢棄物，實(shí)現(xiàn)真正的低碳與永續(xù)發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量快速增加，能量收集將成為支持其長期穩(wěn)定運(yùn)作的重要基礎(chǔ)。本文所介紹的Silicon Labs推出的能量收集相關(guān)SoC解決方案，將在構(gòu)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。

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