設(shè)計(jì)與能量收集源一起使用的 ZigBee 應(yīng)用程序面臨許多挑戰(zhàn)。由于產(chǎn)生的能量很少，最難使用的收割機(jī)之一是自供電開關(guān)。利用超低功耗 Jennic JN5148 微控制器，可以設(shè)計(jì)一個由 SPS 供電的工作應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序只需 100 uJ 的能量即可實(shí)現(xiàn)三個基于 ZigBee 的傳輸。

　　能量收集作為無線傳感器的一種發(fā)電方法，為可持續(xù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案帶來了潛力，從而解決了持續(xù)維護(hù)成本和電池處理的環(huán)境問題等關(guān)鍵問題。

　　使用 JN5148 內(nèi)部的高性能 32 位 RISC CPU 內(nèi)核進(jìn)行快速處理，結(jié)合設(shè)備在睡眠和活動時的超低功耗，使設(shè)計(jì)人員能夠使用通常被認(rèn)為微不足道的能量水平產(chǎn)生足夠的電力來為超低功耗 Jennic 微控制器供電。

　　Jennic 最近與多家能量收集供應(yīng)商合作，專注于將可持續(xù)電源用于基于標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　自供電開關(guān)

　　一種特別感興趣的能量收集源是自供電開關(guān) （SPS），它通常可以使用機(jī)電或壓電換能器從按下開關(guān)的物理動作中產(chǎn)生小的電壓脈沖。

　　此類收割機(jī)可用于門激活觸點(diǎn)、落地式壓力開關(guān)和電燈開關(guān)等應(yīng)用。無線開關(guān)不需要電池，因其環(huán)保內(nèi)涵而對消費(fèi)者具有吸引力，且維護(hù)成本低。沒有電線使它們可以輕松且便宜地安裝在任何表面上。

　　SPS 產(chǎn)生的能量脈沖通常定義明確且可重復(fù)，但是，產(chǎn)生的能量可能非常小（在某些情況下低至 150 uJ），并且由于開關(guān)的連續(xù)驅(qū)動之間可能有很長的時間，壓力機(jī)之間通常沒有可用的存儲能量。由于這些原因，SPS 是最難利用的能量收集源之一，即使使用 JN5148，實(shí)現(xiàn)工作解決方案也存在許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　典型 ZigBee 傳輸?shù)呐渲梦募?/p>

　　圖 1 顯示了使用 JN5148 的典型基于 ZigBee 的傳輸。設(shè)備喚醒并將程序從外部閃存加載到 RAM 中，然后初始化 MAC 軟件層。該程序然后運(yùn)行一些校準(zhǔn)例程以優(yōu)化無線電性能。這些通常在每次芯片喚醒時執(zhí)行，以防在芯片休眠時環(huán)境溫度發(fā)生顯著變化。該程序使用 ADC 和數(shù)字 I/O 進(jìn)行一些測量，處理數(shù)據(jù)并生成要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的有效載荷，然后設(shè)備執(zhí)行 CCA（清除通道評估）以檢查通道是否不忙，以改善接收的機(jī)會。接下來，它將有效載荷作為 ZigBee 數(shù)據(jù)包傳輸，然后進(jìn)入接收模式以等待幀確認(rèn)。如果 CCA 失敗或未收到確認(rèn)，則配置文件可能會因進(jìn)一步的延遲和重傳而增加。最后設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)要保留，則可以通過睡眠來維持 RAM。但是，如果睡眠時間較長，則將數(shù)據(jù)寫入閃存可能會更有效（此配置文件中未顯示）。

　　圖 1：典型 ZigBee 傳輸配置文件。

　　盡管圖 1 中討論的能量分布很小（2 V 時為 300 uJ），但這仍可能超過自供電開關(guān)的可用能量，這意味著典型的 ZigBee 應(yīng)用可能不適合與此電源一起使用。ZigBee 聯(lián)盟已經(jīng)承認(rèn)這一事實(shí)，該聯(lián)盟有一個工作組來開發(fā) ZigBee 綠色電源標(biāo)準(zhǔn)。Jennic 是 ZigBee 聯(lián)盟的成員。

　　在撰寫本文時，該標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中。有人提出了一類功能減少的設(shè)備，以滿足某些采集資源的最低能量預(yù)算。這些建議包括減少網(wǎng)絡(luò)報(bào)頭和至少發(fā)送三次傳輸?shù)确矫妫员憧梢栽诓恍枰?CCA 或幀確認(rèn)的情況下實(shí)現(xiàn)成功傳輸?shù)牧己酶怕省＿@不僅降低了能量需求，而且使它們更加明確，這對于只有有限能量脈沖可用的應(yīng)用非常重要。此外，建議設(shè)備不需要與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，而是允許漫游，僅執(zhí)行廣播傳輸。

　　考慮到這些建議，設(shè)計(jì)了一個具有絕對最低功率要求的應(yīng)用，該應(yīng)用適合與 SPS 等源一起使用。

　　超低功耗應(yīng)用

　　Jennic JN5148 SPS 應(yīng)用的能量分布如圖 2 所示。該設(shè)備喚醒、加載程序、校準(zhǔn)無線電、以全輸出功率 （2.5 dBm） 發(fā)射，然后在喚醒前進(jìn)入休眠一小段時間兩次以上以執(zhí)行兩個后續(xù)傳輸。因?yàn)闆]有能量存儲，所以設(shè)備在第一次傳輸之前必須進(jìn)行完整的初始化和校準(zhǔn)。但是，它可以在 RAM 中保留寄存器值的情況下進(jìn)入睡眠狀態(tài)，因此對于后續(xù)傳輸，喚醒和初始化周期非常小。由于睡眠時間很短，因此可以假設(shè)沒有溫度變化，因此可以重新使用初始無線電校準(zhǔn)的值。

　　圖 2：自供電開關(guān)應(yīng)用的配置文件。

　　由于設(shè)備只執(zhí)行傳輸操作，因此 IEEE 802.15.4 MAC 初始化顯著減少。這與 1 kbyte 的小代碼大小相結(jié)合，意味著初始程序負(fù)載和設(shè)置減少到最低限度。之前傳輸?shù)?CCA 已被刪除，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包現(xiàn)在長度為 21 個字節(jié)，包含減少的 ZigBee 標(biāo)頭和 6 個字節(jié)的有效負(fù)載。由于代碼大小現(xiàn)在非常小，因此使用低成本的 EEPROM 來保存應(yīng)用程序代碼并存儲 MAC 序列號，該序列號在每次按下開關(guān)時遞增并寫回 EEPROM。

　　完整的解決方案是使用 50 uAs 的電荷（2 v 時為 100 uJ）實(shí)現(xiàn)的。Jennic 解決方案已通過商用自供電開關(guān)進(jìn)行了演示，以實(shí)現(xiàn)至少三個成功傳輸。