使用无电池物联网系统可以收集多少能量？是否够用？
能量收集是从太阳能、RF 波和物理振动等各种环境来源中捕获、转换和存储能量的过程。这项技术在环境物联网的基础建设中发挥重要作用，使用新一代的超低功耗连接设备，通过从周围环境中汲取能量而不是依赖传统电池来运行。
由于不需要电池，能量收集技术通过提高可扩展性、延长设备使用寿命、增强可靠性以及减少与频繁更换电池相关的维护和运营成本，彻底改变了物联网设备。通过显著降低电池对环境造成的有害影响，技术进步还为物联网更加可持续的未来做出贡献。
适合能量收集的常见应用包括智能家居设备（如无线开关和门锁）、智能建筑、资产跟踪、智能电表和工厂自动化。
通过光伏 (PV) 技术实现基于光的能量收集，由于其易于集成、可靠性以及在室内和室外环境的一致性能，因此处于领先地位。
能量收集的挑战
据估计，每年有 150 亿块电池被丢弃，从而产生数量惊人的生态足迹。环境物联网不仅能解决电池供电设备带来的环境影响，还能应对其相关的物流挑战。收集能量和无电池解决方案可以减少浪费，延长设备使用寿命，从而成为资产跟踪、智能农业和工业监控等应用的理想选择。
然而，采用能量收集技术，特别是基于光伏的能量收集解决方案，有其自身的挑战和要求。
典型的光基能量收集系统应包括四个主要组件：
- 光伏电池： 将光转换成电能。这种转换的效率取决于光强度、角度和电池材料。
- PMIC（电源管理 IC）： Regulates voltage, boosts power, and performs maximum power point tacking (MPPT) to optimize energy capture.
- 能量 - 存储： 使用超级电容器、可充电电池或混合解决方案存储收集的能量。选择取决于应用的能耗分布和占空比。
- 负载：消耗能量的嵌入式系统，如传感器节点或无线发射器。
在设计这些系统时，尤其是依靠光伏电池为物联网设备供电，了解能量如何从源头流向消耗端，这个环节很重要。您需要知道光伏电池在特定照明条件下产生多少能量，能量传输和存储的效率如何，最重要的是，是否足以支持现场设备的工作负载和正常运行。
下面，我们将介绍如何评估能量流动的每个阶段，帮助您回答核心问题：您的能量预算能否支持您的用例？
我们还将探讨光基能量收集系统的架构、能量流、设计权衡和验证技术，并聚焦于 Silicon Labs EFR32xG22E Energy Harvesting Explorer 套件和 Qoitech 的 Otii Ace Pro 等实用工具。
设置：能量收集硬件
xG22-EK8200A
xG22E Energy Harvesting Explorer 套件旨在使用 RF 协议蓝牙低功耗 (LE) 和 Zigbee Green Power 实现功能并加速能量收集供电设备的开发。它在 Silicon Labs EFR32xG22E Explorer 板之上构建，可提供超快的低能耗冷启动和低能耗深度睡眠唤醒，是众多能量受限应用的理想选择。含有与行业领先的 PMIC 提供商 e-peas 共同开发的三个屏蔽，可以牢固地贴合到 Explorer 套件板上，能够评估包括光伏电池在内的能量源。
BRD8201A - 双收集器扩展板
该扩展板使用 e-peas 最新和最先进的 PMIC，AEM13920。开发人员可以同时试验双收集源、调试独立运行场景，以及评估电池寿命。
BRD8202A - 配备 BRD8206A 的运动按钮扩展板 - 运动按钮
此扩展板可演示特定应用，使用运动开关，为无线 SoC 供电。它专门用于动力学/脉冲采集应用，并使用 e-peas AEM00300。
BRD8203A - 电池扩展板
此扩展板可使用替代电池化学物质和超级电容器进行试验。
EFR32xG22E Energy Harvesting Explorer 套件的组成。光伏电池是专为室外使用而设计的光伏系统 P121 R1H。储能装置是 Tecate 10F 3.8V 锂超级电容器。
Otii Ace Pro
测量设置由 Qoitech 的 Otii Ace Pro 装置组成。Otii Ace Pro 是一款专为低功耗和动态功率特性而设计的综合仪器。随着软件工具箱的加入，它成为分析、测试和模拟电池和能量采集系统的强大工具。对于本研究，只需要使用 Otii 软件的永久免费版本。
设置测量
设置了两个 Ace Pro：一个与光伏电池相连，用于测量和分析进入的能量流以及 PMIC 如何处理能量流，另一个与储能装置（例如电池或超级电容器）相连，用于监测能量如何流入和流出，见图 1。可以设置额外的 Otii Ace Pro 来测量 xG22-EK8200A 板上的引脚 P101，以评估 Silicon Labs 芯片组的性能。有关连接点的详细信息，请参阅用户指南。
两个 Otii Ace Pro 的设置均为串联模式及四线制模式，并已激活主电流、电压和功率通道。
Silicon Labs xG22-EK8200A 与两个 Otii Ace Pro 的测量设置示意图。该设置可以扩展，具体取决于需要评估的组件数量。
使用 Silicon Labs xG22-EK8200A 和 Qoitech 的 Otii Ace Pro 进行光能量收集评估。
能量收集工作情况
光伏电池的能量和 PMIC 行为
让我们观察正通过 e-peas AEM13920 进行能量收集的光伏电池的能量输出。在观察与光伏电池相连接的 Otii Ace Pro（在此设置中称为 Ace_EnergyHarvester）的电流和电压测量值时，您会看到频繁出现的尖峰，请参见下面的 Otii 图。放大这些内容可以揭示 PMIC 的运作方式。
每个周期从 PMIC 暂时断开能量收集器 (EH) 负载开始。利用此短暂的暂停，可以测量 EH 的开路电压 (Voc)。然后使用测量的 Voc 计算最大功率点 (MPP)，即 EH 最高效运行时的电压。
对于许多能量收集器来说，无论照度如何，Voc 和 MPP 电压之间的比率都保持不变。就 e-peas PMIC 而言，此比率可在 35% 和 85% 之间配置，默认设置为 75%。在突出显示的数据时段内，测量 Voc 值，然后 PMIC 调节电压，以保持 Voc 的 75%。
PMIC 和 PV 能量收集器的周期电流和电压行为。
随着光照度的增大，收集的能量也随之增多，与更新的 Voc 读数相对应，并表现出 PMIC 对不断变化的环境条件的动态响应，见下图。
能量存储
通过分析来自 Otii Ace Pro（在设置中称为 Ace_Battery）的电流和电压测量值，它监测流入和流出储能装置（电池）的能量，我们可以观察电池电压和电流方向。在此设置中，正电流表示电池放电，负电流表示正在充电。
在下图中，在突出显示部分的开头，Silicon Labs 芯片唤醒并传输数据。在该活动期间，平均电流为正，表示此刻芯片从电池中汲取的功率比能量收集器供应的功率更多。但是，在观察传输和睡眠的整个周期时，整体电流和能量值是负的，如整个突出显示部分所示。这意味着在空闲时间内，能量收集器供应的能量多于芯片消耗的能量，允许电池充电。在这种情况下，系统是自给自足的。
芯片组唤醒并传输数据时的电流和电压行为。
物联网设备功率特性
设计和优化高效能量收集系统涉及许多变量。最关键的起点之一是确保目标设备本身是节能的。在整个开发过程中，一致的测量和持续优化是成功的关键，同时选择低功耗组件，实现高效的整体设计。
BRD8201A 就是这样的组件，一款采用 EFR32xG22E 无线 MCU 的双收集器扩展板。作为 EH 套件的组成部分，我们让开发人员有机会探索和评估其在现实能量收集条件下的性能。
在此设置中，我们使用 Otii Ace Pro 分析其行为，将此配置命名为 Ace_IoT。下图所示的结果显示由能量收集装置供电的 Silicon Labs 芯片的电流消耗。
在每 27 秒发生的活跃期，平均电流消耗大约为 160 µA。在睡眠模式下，芯片平均消耗低于 300 nA，说明其特别适合超低功耗应用。
双收集器扩展板 BRD8201A 睡眠模式下的电流消耗。
Silicon Labs 用于 EFR32xG22E 无线 MCU 的能量收集平台经过优化，可实现超低功耗。测量的规格表明，加电复位的冷启动只需要 150 µJ，而从深度睡眠模式 (EM4) 唤醒仅消耗 17 µJ，从而能够以最小的能量开销快速执行任务。该平台采用精确的能量预算技术，以微焦耳为单位平衡输入和消耗，并根据可用能量动态调整固件行为 - 调节传输频率、有效载荷大小和内存操作。这种架构支持在能量受限的环境中持续运行，成为可扩展环境物联网部署的理想选择。
在此文档资源页面，有对这种物联网传输优化机制的完全解析。
摘要：这就是无电池物联网
该评估阐述光基能量收集在实现无电池物联网系统方面的变革潜力，特别是通过集成 Silicon Labs 的 EFR32xG22E 平台和 Qoitech 的 Otii Ace Pro 测量工具。通过利用光伏电池和 e-peas AEM13920 之类的先进 PMIC，开发人员可以设计能够动态适应环境条件的系统，通过最大功率点跟踪 (MPPT) 优化能量捕获，即使在起伏不定的光场景中也能维持能量平衡。采用双 Otii Ace Pro 监测来自 PV 的能量输入和存储行为，该研究的设置提供细粒度视图，显示能量如何流过系统，揭示了关键见解，例如芯片的超低睡眠电流 (<300 nA) 和高效的唤醒能耗（EM4 的 17 µJ）。这些指标充分表明在能量受限的环境中持续运行的可行性。
此外，评估还表明，通过适当的分配和设计权衡，此类系统可以实现自给自足，在完整的传输睡眠周期内的净负电流就是有力证明。这不仅验证了能量收集架构的可行性，还强调了选择低功耗组件和根据实时能量可用性持续优化固件行为的重要性。使用超级电容器和混合存储解决方案进一步增强了系统弹性，特别是在低照度期间。随着环境物联网不断获得认可，这里介绍的见解和方法为开发人员提供实用的蓝图，旨在构建可扩展、可持续和免维护的物联网解决方案。借助 xG22E Energy Harvesting Explorer 套件和 Otii 的分析套件等工具，无电池物联网的未来不仅充满希望，而且已经触手可及。
