利用能量采集技术构建可持续互联世界
物联网（IoT）是当今最重要的技术进步之一。然而，许多物联网设备仍然依赖电池供电，而电池的消耗对构建更可持续的互联世界带来了重大挑战。利用能量采集技术来降低对电池的依赖已成为物联网应用中的一个关键方向。本文介绍了能量采集技术在物联网设备中的应用，以及Silicon Labs及其合作伙伴开发的相关解决方案。
可持续发展目标中的电池挑战
在当今注重可持续发展的世界中，各家公司、消费者和国家都在努力应对由日益增长的城市化所带来的能源需求。实现碳中和已成为一种迫切的需求，这使得采用减少浪费并提供高能效收益的技术解决方案至关重要。物联网 (IoT) 应用如今也面临着拥抱这种转型的挑战。 当我们想到物联网时，脑海中会浮现出一个由智能、创新设备驱动的无缝连接的世界。但是什么使这些设备保持连接的呢？简单的答案是电源，通常是传统的电池。尽管电池可以完成其使命，但却存在一些显著的缺陷。 数据显示，每年有超过150亿个废弃电池被丢弃到垃圾填埋场，释放出约90万吨污染土壤和地下水的有害废物。仅在美国，平均每个家庭每年购买超过90节电池，大多数电池甚至无法持续使用十年。预计到2025年，将有约250亿个物联网设备投入使用，每天需要更换600万块电池。 这些数据凸显了传统电池的三大主要问题：不便和不当的处置方式、频繁的更换需求以及扩展性挑战。这些缺陷不仅会削弱设备的功能性和可靠性，还会阻碍智能物联网应用向无电池、节能化方向的转型。为了应对这些挑战并缓解日益互联的世界可能带来的环境威胁，一种被统称为“环境物联网”(Ambient IoT) 的新型互联设备类别出现了。 环境物联网指的是由自然环境中可用的能源（例如磁场和电场、光、热、动能和声能）驱动的物联网设备。这种利用环境能量获取运行电力的方法消除了物联网设备对电池的依赖。 通过环境物联网，智能设备现在可以依赖自然能源（如光、热、运动）而非传统电池来实现供电和连接。这些自然能源不仅延长了设备的使用寿命，还显著减少了电池对环境的影响。
用于能量采集的创新型无线系统芯片解决方案
Silicon Labs 是创新和物联网连接领域的领导者，其使命是赋能开发者创建无线连接设备，变革行业、推动经济发展并改善生活。Silicon Labs 现已优化其 xG22 系列 SoC（片上系统），将能量采集功能集成其中。新的能量优化型 xG22E SoC 家族全面满足物联网设备的节能需求。 这些性能强大的微控制器单元（MCU）具备 8 毫秒的上电复位（PoR），仅消耗 150 微焦耳（µJ），以及 1.83 毫秒的 EM4 唤醒时间，能量消耗仅为 16.6 µJ。此外，它们还提供高射频（RF）性能、多协议支持及 2.4 GHz 操作能力。这些芯片支持多种电源和电源管理设备，使用户可以探索超级电容等新型电池技术。 以 EFR32xG22E 为例：它具备超快、低能耗的冷启动功能，低能耗的深度休眠唤醒，和高效的能量模式转换，有效减少有害电流尖峰，保护能量存储单元，使其成为市场上最可靠的无线长距离 SoC 之一。 xG22E SoC 的常见应用包括智能家居及电器、游戏电子设备和智能建筑。例如，在 Zigbee 启用的智能家居设备（如门、龙头和开关）中，能量采集发电机能够消除对电池的依赖以及更换电池的费用。在游戏电子设备中，室内太阳能供电的电视遥控器和电脑键盘需要能效高且成本低的蓝牙 LE SoC。在智能建筑中，利用 xG22E 的 Zigbee 绿色能源实现的无电池门把手和灯开关控制，通过动能脉冲采集，减少了频繁更换电池的需求。其他主要应用包括轮胎压力监测传感器、资产追踪、电子货架标签（ESL）、工厂自动化、预测性维护和农业。
创新的先进能量收集屏蔽套件解决方案
为了帮助设备制造商构建完整的能量采集解决方案，Silicon Labs与行业领先的电源管理集成电路 (PMIC) 提供商 e-peas 合作，共同开发了一款针对全新功耗优化型 xG22E Explorer Kit 的尖端能量采集扩展开发板套件。 该套件包括三个专用扩展板，可紧密贴合 Explorer Kit 主板。这些扩展板经过优化，可隔离能量泄漏并便于进行外部测量。第一个扩展板允许用户尝试使用替代氧化电池化学技术和超级电容器。第二个扩展板专注于动能/脉冲能量采集应用，使用了 e-peas 的 AEM00300。这些扩展板提供了多个调试和功耗测量测试点。第三个扩展板则集成了 e-peas 最新且最先进的 PMIC——AEM13920，使开发人员能够同时尝试双重能源采集源。 该套件还包括一系列重新优化的蓝牙 (Bluetooth) 和 Zigbee Green Power 示例应用，以及有关如何配置 PMIC 和优化代码以实现基于能量的决策的说明。 例如，EFR32xG22E Explorer Kit 是一个超低成本、小尺寸的开发与评估平台，专为快速原型设计和构建 EFR32xG22E 蓝牙 LE 物联网应用的构想开发而设计。该套件配备了 USB 接口、板载 SEGGER J-Link 调试器、用户 LED 和按键，并通过 mikroBus 接口和 Qwiic 连接器支持硬件扩展板。这种硬件扩展支持使开发人员能够利用来自 MIKROE、SparkFun、Adafruit 和 Seeed Studios 等公司的几乎无限组合的现成扩展板进行创建和原型制作。
低功耗和高传输效率的无线SoC解决方案
Silicon Labs 的 xG22E SoC 家族包括多个产品线，如 EFR32BG22E 系列、EFR32FG22E 系列和 EFR32MG22E 系列。以下是这些产品的主要功能： 首先，EFR32BG22 系列 2 Bluetooth® 无线 SoC，包括 EFR32BG22 和 EFR32BG22E 低功耗蓝牙 (LE) 无线 SoC 解决方案，是 Wireless Gecko 系列 2 平台的一部分。这些器件专注于能源效率，提供业内最佳的超低发送和接收功耗。高性能低功耗的 Arm® Cortex®-M33 内核提供领先的能源效率，使纽扣电池的电池寿命可延长至十年。BG22 为节能应用提供支持，而 BG22E（“E”代表节能）进一步提升了电池寿命，同时支持完全不使用电池的设计。Silicon Labs 的 BG22 和 BG22E 系列是面向 Ambient IoT 或能量收集设备的市场领先 SoC。目标应用包括低功耗 Bluetooth 网状节点、智能门锁、个人医疗及健身设备。此外，资产追踪标签、信标，以及室内导航，也可借助 SoC 的灵活 Bluetooth 到达角度 (AOA) 和离开角度 (AOD) 功能，提供低于一米的定位精度。 其次，EFR32FG22 系列 2 专有无线 2.4 GHz SoC，包括 EFR32FG22 和 EFR32FG22E，也是 Wireless Gecko 系列 2 平台的一部分。FG22 SoC 集成了 38.4 MHz Arm® Cortex®-M33 内核（带有 TrustZone 功能）和高性能射频，可接收灵敏度达-102.3 dBm。FG22 为节能应用提供支持，而 FG22E（“E”代表节能）可延长电池寿命并支持无电池设计。这款 SoC 结合了超低发送和接收功耗（+6 dBm 时发送功耗为 8.2 mA，接收功耗为 3.6 mA）、1.2 µA 的深度休眠模式，以及创新的低功耗技术如 RFSense，提供业内领先的能源效率。它扩展了电池受限或使用能量收集选项的产品的使用寿命，如电子货架标签和工业无线传感器节点。 最后，EFR32MG22 系列 2 Zigbee SoC，包括 EFR32MG22 和 EFR32MG22E，也是 Wireless Gecko 系列 2 平台的一部分。MG22 系列提供优化的 Zigbee SoC 解决方案，集成了高性能低功耗的 76.8 MHz Arm® Cortex®-M33 内核（带有 TrustZone 功能）。MG22 为节能应用提供支持，而 MG22E（“E”代表节能）可进一步提升电池寿命并支持无电池设计。MG22 SoC 结合了超低发送和接收功耗（+6 dBm 时发送功耗为 8.2 mA，接收功耗为 3.9 mA）、1.4 µA 的深度休眠模式，以及低功耗外设，提供面向 Zigbee 协议应用（包括绿色能源）的业内领先节能解决方案。IoT 应用包括智能家居传感器、照明控制，以及建筑及工业自动化。
结论
随着我们迈向一个更加智能和互联的未来，能量采集技术正在发挥至关重要的作用。通过将无处不在的环境能量——如光、热、振动和射频（RF）能量——转换为电能，我们能够减少对传统电源的依赖，延长设备的使用寿命，减少电池废弃物，并真正实现低碳可持续发展。随着物联网（IoT）设备的快速增长，能量采集将成为其长期稳定运行的关键基础。Silicon Labs 推出的能量采集SoC解决方案将成为构建一个更加环保、高效且具有弹性的互联世界不可或缺的组成部分。
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