基于自供电开关实现ZigBee的传输

设计与能量收集源一起使用的ZigBee应用程序带来了许多挑战。使用最困难的收割机之一是自供电开关，因为产生的能量很少。利用超低功耗的Jennic JN5148微控制器，可以设计一个由SPS供电的工作应用程序，只需100 uJ的能量即可实现三个基于ZigBee的传输。

能量收集作为无线传感器的发电方法，为可持续的无线传感器网络解决方案带来了潜力，使关键问题成为持续的维护成本和电池处理的环境问题。使用高性能32- JN5148内部的RISC CPU内核用于快速处理，结合器件在睡眠状态和工作时的超低功耗，使设计人员能够使用通常被认为无足轻重的能量水平来产生足够的功率来激活超级 - 低功耗Jennic微控制器。

Jennic最近与多家能源采集供应商合作，致力于为基于标准的W标准提供可持续电源。无源传感器网络。

自供电开关

一种特别感兴趣的能量收集源是自供电开关(SPS)，它通常可以使用电子机械或压电传感器来产生一个小电压脉冲。按下开关的物理动作。

这类收割机可用于门激活触点，落地式压力开关和灯开关等应用。无线开关不需要电池，由于环境内涵使其对消费者具有吸引力，并且维护成本低。缺少电线使得它们在任何表面上安装都很容易且成本低廉。

SPS产生的能量脉冲通常是明确定义和可重复的，但是，产生的能量可能非常小(低至150 uJ in在某些情况下并且由于在开关的连续致动之间可能存在很长时间，因此在压力机之间通常不存储可用的能量。由于这些原因，SPS是利用和实现工作解决方案的最困难的能量收集源之一，即使使用JN5148，也存在许多设计挑战。

典型的ZigBee传输简介

图1显示了典型的基于ZigBee的传输使用JN5148。设备唤醒并从外部闪存将程序加载到RAM中，然后初始化MAC软件层。然后程序运行一些校准程序以优化无线电性能。这些通常在每次芯片唤醒时执行，以防芯片处于睡眠状态时环境温度发生显着变化。该程序使用ADC和数字I/O进行一些测量，处理数据并生成要传输的数据的有效载荷，然后设备执行CCA(清除信道评估)以检查信道是否不忙以便改进接待的机会。接下来，它将有效载荷作为ZigBee分组发送，然后进入接收模式以等待帧确认。如果CCA失败或未收到确认，则可以通过进一步的延迟和重传来增加简档。最后，设备进入休眠状态，如果有数据要保留，则RAM可以通过休眠保持。但是，如果睡眠时间很长，那么将数据写入闪存可能更有效(此配置文件中未显示)。

基于自供电开关实现ZigBee的传输

图1：典型ZigBee传输的配置文件。虽然图1中讨论的能量曲线很小(2 V时为300 uJ)，但这仍然可能超过自供电开关的能量曲线，这意味着典型的ZigBee应用程序可能不适合与此源一起使用。这一事实得到了ZigBee联盟的认可，该联盟有一个工作组来制定ZigBee绿色电力标准。 Jennic是ZigBee联盟的成员。

在撰写本文时，该标准仍在开发中。对于一类具有降低功能的设备提出了建议，以满足一些收获源可用的最小能量预算。这些提议包括诸如减少的网络报头和传输被发送至少三次的方面，使得可以在不需要CCA或帧确认的情况下实现成功传输的良好概率。这不仅降低了能量需求，而且使其更加明确，这对于只有有限脉冲能量的应用非常重要。此外，建议不要求设备与网络关联，但允许设备漫游，仅执行广播传输。

考虑到这些提议，设计了具有绝对最小功率要求的应用程序。适用于SPS等信号源。

超低功耗应用

Jennic JN5148 SPS应用的能量曲线如图2所示。设备唤醒，加载程序，校准无线电，以全输出功率(2.5 dBm)发射，然后进入短暂休眠状态，然后再唤醒两次以执行两次后续传输。由于没有能量存储，因此设备必须在第一次传输之前进行完全初始化和校准。然而，它然后能够与保留在RAM中的寄存器值一起休眠，以便对于后续传输，唤醒和初始化时段非常小。由于睡眠周期很短，因此可以假设没有温度变化，因此可以重复使用初始无线电校准的值。

图2：自供电开关应用的配置文件。

由于设备正在执行仅传输操作，因此IEEE 802.15.4 MAC初始化显着减少。这与1千字节的小代码大小相结合意味着初始程序负载和设置减少到最低限度。传输之前的CCA已被删除，传输的数据包现在长度为21个字节，包含减少的ZigBee报头和6个字节的有效载荷。由于代码大小现在非常小，因此低成本EEPROM用于保存应用程序代码，并且还存储MAC序列号，每次按下开关时，MAC序列号递增并写回EEPROM。

完整的解决方案是使用50μA电荷(在2v下100uJ)实现。 Jennic解决方案已经通过市售的自供电开关进行了演示，以实现至少三次成功的变速箱。