在過去的一年里，環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)（AmbientIoT）已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域增長最快的行業(yè)之一。越來越多的設(shè)備制造商和制造企業(yè)正在尋找節(jié)能優(yōu)化、無電池的解決方案，以打造具有持久續(xù)航、不間斷運行和更高可靠性的設(shè)備，而支持環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的SoC正是這一需求的理想選擇。

近期，Silicon Labs（芯科科技）推出了迄今為止市面上最節(jié)能的SoC產(chǎn)品—xG22E系列。該系列進一步優(yōu)化了我們的xG22 SoC產(chǎn)品線（包括BG22E SoC、MG22E SoC和FG22E SoC），特別是新增了對能量采集（Energy Harvesting）的功能支持。

如今，芯科科技作為行業(yè)領(lǐng)先的能量采集與功耗優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)解決方案供應(yīng)商，正在進一步擴展產(chǎn)品組合。我們已與領(lǐng)先的電源管理IC供應(yīng)商e-peas公司達成合作，共同為全新的xG22E Explorer Kit開發(fā)了三款能量采集屏蔽體（harvesting shield），可安全固定到開發(fā)套件的板上。此開發(fā)板經(jīng)過特殊設(shè)計，能夠防止功率泄漏，支持外部測量，并且非常適用于以下應(yīng)用場景：

資產(chǎn)追蹤（Asset Tracking）

智能家居開關(guān)（Home Switches）

機械監(jiān)測（Machinery Monitoring）

電子貨架標(biāo)簽（Electronic Shelf Labels）

xG22E開發(fā)套件支持多種能量采集解決方案評估，可利用不同應(yīng)用中的光伏電池、熱電發(fā)電機（TEG）等能量來源。套件包含以下三款屏蔽體：

BRD8201A -雙路采集屏蔽體（Dual Harvester Shield）：支持多種電池化學(xué)體系和超級電容器的實驗，可同時從兩個不同的能量來源進行能量采集。

BRD8202A-機械按鈕屏蔽體（KineticButton Shield），配備BRD8206A機械按鈕：可用于演示利用機械開關(guān)為無線 SoC 供電的特定應(yīng)用，專為機械脈沖能量采集（Kinetic/Pulse Harvesting）設(shè)計，并采用e-peas AEM00300屏蔽體。

BRD8203A-電池屏蔽體（BatteryShield）：采用e-peas最新、最先進的PMIC—AEM13920，允許開發(fā)者同時評估雙路能量采集來源，調(diào)試獨立運行模式，并評估設(shè)備的電池壽命。

接下來，我們將深入探討該開發(fā)套件的設(shè)計、組件以及每個屏蔽體的設(shè)置流程。

設(shè)計與組件

芯科科技的愿景是引領(lǐng)可持續(xù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計的新時代，目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供超長壽命并降低生態(tài)足跡。這正是全新能量采集MG22EExplorer Kit誕生的核心驅(qū)動力。設(shè)計無電池的能量采集設(shè)備需要全新的方法論、組件和精確分析，包括從能量來源、能量存儲、電源管理、固件算法到物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的各個方面，這些關(guān)鍵要素都對優(yōu)化設(shè)計和控制成本產(chǎn)生重要影響。

能量采集ExplorerShield Kit讓用戶能夠按照以下方法論，對關(guān)鍵組件進行合理評估。

理解應(yīng)用的功耗預(yù)算：

確定應(yīng)用的峰值和平均電流消耗，基于無線通信事件（如數(shù)據(jù)傳輸）和睡眠間隔進行分析。

評估可用的能量來源：

設(shè)備可以從多種環(huán)境能量源中采集能量，例如：光能、振動、熱交換、電磁感應(yīng)、機械脈沖。

每種應(yīng)用可能適用于特定的能量來源，具體取決于電壓、電流和阻抗需求。

Explorer Shield Kit 適用于交流和直流能源輸入，并內(nèi)置整流和穩(wěn)壓電路。

能量測量與電源管理選擇

MG22E Explorer Shields 提供多個PCB測試點，可用于測量能量路徑中的功耗，以便通過測試設(shè)備進行詳細分析。

此外，芯科科技的SimplicityStudio開發(fā)環(huán)境還提供功耗分析儀（Power Analyzer）等高級工具，可持續(xù)監(jiān)測和優(yōu)化應(yīng)用的能耗效率。

存儲類型與容量選擇

了解完整的能量預(yù)算和關(guān)鍵能耗參數(shù)后，可以選擇合適的存儲元件。

與傳統(tǒng)電池不同，基于電容的存儲方案可以精準匹配所需的能量。

電容解決方案提供多種技術(shù)規(guī)格、外形尺寸和成本選項，可通過MG22E Explorer Kit Shields的螺釘端子進行兼容連接。

IoT協(xié)議選擇與能量算法實現(xiàn)

最關(guān)鍵的是物聯(lián)網(wǎng)SoC有助于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的真正落地。MG22E是芯科科技目前功耗最低、平臺優(yōu)化最完善的 SoC，支持多種 2.4GHz 協(xié)議，包括低功耗藍牙、Zigbee Green Power和專有2.4GHz協(xié)議。這些協(xié)議的核心是芯科科技的RAIL（無線抽象層協(xié)議），它提供了無線電抽象能力。

對于信標(biāo)（Beacon）設(shè)備，可以根據(jù)平臺能耗測量，動態(tài)調(diào)整協(xié)議負載、發(fā)射功率、物理層和睡眠間隔，從而優(yōu)化能量使用效率。

芯科科技與e-peas攜手為MG22E開發(fā)的屏蔽體綜覽

展望物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備可以完全擺脫電池的未來。芯科科技正致力于大幅降低能量采集的技術(shù)門檻，使其進入大眾市場，讓從學(xué)生到專家的所有開發(fā)者都能輕松且愉快地創(chuàng)建更加具有可持續(xù)的項目。

MG22E Explorer Shield Kit開發(fā)套件經(jīng)過精心設(shè)計，具備高度靈活性，讓工程師可以探索并測量多種電源來源、存儲元件和IoT 協(xié)議，同時提供MikroBus和Qwiic連接器，方便集成各種傳感器。

e-peas專注于開發(fā)用于環(huán)境能量采集的電路，并與芯科科技工程師密切合作，共同打造了這些Shield擴展板及其在Simplicity Studio中的兼容驅(qū)動程序。

Shield Kit的核心概念旨在充分利用現(xiàn)有的芯科科技硬件。MG22E Explorer Kit 是一款開發(fā)板，帶有擴展接口和編程端口。芯科科技設(shè)計了一套可擴展的Shields，這些擴展板可 疊加到套件上，并為其增加多種新型供電能力。用戶手冊User Guide591提供了完整的硬件安裝指南，同時，套件中還包含光伏電池（PV Cell）和電容器的示例。

Shield #1 – BRD8203 – Battery Backpack

BRD8203 Battery Shield 作為基準電源板，可通過電池、電容或自定義PMIC電路輕松為Explorer Kit供電。

該屏蔽體具備多個測試點和電源切換開關(guān)，用于探索不同的電池和電容技術(shù)，并且其支持雙層疊加，可以進一步擴展其他屏蔽體。用戶可以在不同物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和應(yīng)用環(huán)境下進行實驗，建立基線數(shù)據(jù)，為后續(xù)的能量采集硬件設(shè)計做準備。屏蔽體本身不包含PMIC，但可以使用MG22E內(nèi)置的電源管理模塊進行配置和管理。

Shield #2 – BRD8202 – Kinetic Button –AEM00300

BRD8202屏蔽體專為無電池開關(guān)和按鈕設(shè)計。內(nèi)置能量采集機械按鈕，在按壓和釋放按鈕時，即可收集能量并進行整流（Rectification）。該設(shè)計不需要額外的外部存儲元件。按鈕提供足夠的能量，以短暫供電板載電源單元（PowerBanks）并完成無線通信。

e-peas AEM00300是該屏蔽體的核心 PMIC，其配置已針對機械能采集進行了優(yōu)化。

提供軟件示例，用于Zigbee Green Power 和 低功耗藍牙RAIL協(xié)議的信標(biāo)功能。

Shield #3 – BRD8201–Dual Harvester–AEM13920

BRD8201屏蔽體是能量采集設(shè)計師的核心工具，專為高級能量管理應(yīng)用而設(shè)計。該屏蔽體（配合AC/DC適配器橋接器），為用戶提供了構(gòu)建、測量、比較和優(yōu)化環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)供電方案所需的所有核心組件。支持同時連接兩種能量來源（AC或 DC），方便用戶創(chuàng)建多源供電設(shè)備，或輕松對比不同能量來源的性能。此外，其提供多個測試點，可進一步擴展 額外傳感器或疊加更多屏蔽體。

e-peas 最新的AEM13920是該屏蔽體的核心，它是e-peas 最先進的PMIC解決方案。相關(guān)驅(qū)動程序已托管在芯科科技代碼庫中，并可在SimplicityStudio進行配置。該PMIC允許開發(fā)者使用I2C驅(qū)動接口進行設(shè)計定制，或者幫助工程師篩選最適合其應(yīng)用的PMIC方案。該屏蔽體還支持可控快充（USB 連接），并可通過跳線端子（Jumper Terminal）進行進一步調(diào)試。

AC-DC適配器 –BRD8204 BRD8205

芯科科技與e-peas確保能量采集設(shè)計的每個方面都能通過該開發(fā)套件輕松實現(xiàn)，無論是直接使用套件中的組件、修改示例應(yīng)用，還是連接額外的外部電路。為了支持交流和直流兩種類型的能量來源，該套件包含穩(wěn)壓器和整流器適配器模塊，這些模塊可以直接擰入屏蔽體的終端接口，方便開發(fā)者進行實驗和調(diào)整。

AC 輸入適配器采用MOSFET整流電路，并通過電容和保護電路進行處理，適用于振動能量或電磁感應(yīng)等交流能量來源。DC輸入適配器額外包含過壓保護，這一功能在原始屏蔽體設(shè)計中是可選項，但在該適配器中已集成。適配器還提供了一個額外電容的占位區(qū)域，以便用戶根據(jù)應(yīng)用需求進行擴展或優(yōu)化儲能能力。

設(shè)置MG22E能量采集開發(fā)套件

對于許多新的開發(fā)套件而言，開箱即用的體驗（Out-of-BoxExperience）對項目的成功至關(guān)重要。作為物聯(lián)網(wǎng)專家，芯科科技提供了一系列與MG22EExplorer開發(fā)板兼容的示例應(yīng)用，這些示例均為開源，可在GitHub上獲取。開發(fā)者可以直接克隆、編譯，并像其他示例一樣刷入芯科科技MG22E 進行測試。

開箱默認示例：Bluetooth RAILSensor。連接套件中提供的光伏電池板和電容器后，設(shè)備將立即開始自行廣播信號。

每個示例都附帶詳細的README 文檔，介紹固件的行為和預(yù)期性能。這些應(yīng)用被設(shè)計為通用型，并且易于修改，適用于資產(chǎn)跟蹤或智能建筑傳感器等場景。

這些示例的主要目的是展示不同能量來源與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之間的區(qū)別，涵蓋了傳感器應(yīng)用和開關(guān)控制等用例。設(shè)備的信標(biāo)可以通過芯科科技免費提供的EFRConnect移動應(yīng)用進行檢測。此外，還可以安裝專用的MG24Explorer Kit（需單獨購買）示例應(yīng)用，該應(yīng)用可作為低功耗藍牙、RAIL和Zigbee協(xié)議的讀取器或協(xié)調(diào)器（Reader/Coordinator）。e-peas AEM 驅(qū)動程序也托管在GitHub上，并且可以在Simplicity Studio中輕松修改。

現(xiàn)在輪到你動手實驗、編寫代碼，并添加傳感器了！歡迎來到開發(fā)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的精彩世界，如果有任何疑問，可以隨時在芯科科技在線技術(shù)論壇上尋求支持。

總結(jié)

芯科科技始終致力于創(chuàng)新，并以引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展為動力，助力推動物聯(lián)網(wǎng)邁向更加具有生態(tài)可持續(xù)性的未來。我們與e-peas合作開發(fā)Explorer Kit Shield是實踐該承諾的重要一步，從而推動技術(shù)進步和創(chuàng)新，同時踐行環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。我們很高興能擴展我們的無線產(chǎn)品組合，推出xG22E—目前最節(jié)能的多協(xié)議無線SoC之一。