電池供電設備需要更換電池，不僅增加費用，而且有些設備安裝后更換電池不方便，所以人們一直嘗試引入無電池供電的低功耗設備。目前在無線物聯網領域推出了使用機械能轉換為電能的裝置實現了無電池供電下基于802.15.4的GreenPower產品，即Energy Harvesting（簡稱EH）設備，獲得了廣泛的關注。

本文將介紹JN5189上基于AN-1261應用的EH設備（On-Off開關）的開發。

JN5189系列是NX Semiconductors（恩智浦半導體）推出的低功耗無線微控制器（MCU）系列。它們是基于Arm Cortex-M4內核的高性能MCU，專為低功耗無線應用設計。

1、機械能轉換為電能的裝置-機械能換電模塊

C為儲能電容，R為放電電阻（10K歐量級）

圖1.1機械能轉換為電能的等效圖

圖1.2 機械能轉換為電能的時序圖

如圖1.1和圖1.2所示，機械能換電模塊在按鈕被按下及釋放（彈起）時兩次切割線圈繞組（金屬切割磁力線）產生交變電流，經過全橋整流后對儲能電容充電，然后通過電阻放電，使得有效輸出超過實際的按鈕按壓與釋放時長，通常可達60~70ms。

2、EH設備組網及On-Off開關操作

EH設備需要通過GPCombo（整合了Proxy+Sink功能）設備才能加入Zigbee網關，本文的EH設備為On-Off開關， 跟支持GPCombo功能的燈配對已加入（Commissioning）到ZigBee網絡中，如圖2.1所示：

圖2.1 EH On-Off設備組網示意圖

由于機械能換電模塊有效輸出時間很短（幾十ms），所以EH設備無法雙向通信，只能發送而沒有時間接收返回的消息，因此屬于單向通訊。

這就帶來一個問題：EH設備無法獲知其與GPCombo設備是否成功配對入網，所以必須借助輔助手段來判斷EH設備是否正確配對成功：使用Ubiqua抓包（如下圖）或者在沒有Ubiqua時觀察GPCombo的燈是否由配對時的連續快速閃速到配對成功后燈的熄滅，若是就說明成功入網，否則就是未成功。

第48行：Combo設備進入Commissioning配網模式，燈開啟3分鐘的快速連續閃速模

第53行：EH設備廣播Commissioning命令

第57行：Combo設備處理收到的EH的Commissioning命令

第62行：EH設備和Combo設備配網成功

第66行：Combo退出配網模式，燈停止閃速
成功配網后EH設備才能在每次按壓后發送On或Off開關命令，這需要使用者預先手工切換EH設備的當前工作模式，可由PIO電平來配置EH的當前狀態，比如將PIO-A和PIO-B置為輸入模式，共有4種不同的工作模式：

通常出廠時PIO-A和PIO-B都為低電平處于配對模式；成功配對入網后將PIO-B置為高電平，進入發送On或Off命令的開關模式。

3、基于AN-1261的EH設備參考設計

以某機械能換電模塊為例，其最大輸出能量約300uJ。考慮到EH設備能夠獲取的能量是十分有限的，通常其無線射頻Tx的發送功率不超過0dBm（1mW）；此外由于如此低的發射功率很容易受到周圍環境中無線信號的干擾，且EH只能單向發送消息，缺乏接收方的反饋，無法判斷對方是否正確收到EH發送的消息，所以相同的EH消息需要多次發送，一般連續發送3次，從而增加接收方收到EH發送消息的概率。根據對AN-1261中EH例程On-Off 開關的實測，只有當JN5189的輸入工作電壓等效為2.85v時，EH設備消耗的能量才小于機械能換電模塊的最大輸出300uJ。

下圖為使用JouleScope測量的JN5189 EH設備配網時發送Commissioning命令的電流（上半部分）及電壓（下半部分）波形：電流波形模擬了使用者從按下機械能取電設備上的按鈕到松開該按鈕期間的全程等效電量q，乘以JN5189的等效工作電壓v，即得到發送Commissioning命令的總能耗w=qv。

上圖中兩根垂直綠線（1a~1b）范圍內的總電量為104.671uC，乘以等效工作電壓2.85v：104.671uCx2.85v=298.31uJ（非常接近但小于300uJ）；垂直藍線2在下半部分電壓波形上截取的電壓約為1.9v，這是JN5189開始正常工作的最低電壓（POR）; 垂直紫線（3a~3b）之間為Tx波形，后面連續跟著兩個Tx。EH設備發送On/Off命令時的電流（上半圖像）及電壓（下半圖像）波形如下圖：其消耗能量比前面的配網Commissioning過程小：81.6438x2.85=232.685uJ

這兩者的差別是由于On-Off命令（下圖3.1）比Commissioning命令（下圖3.2）的幀負載（Payload）少：

圖3.1 On/Off命令幀（MAC Payload為15字節）

圖3.2 Commissioning命令幀（MAC Payload為34字節）

若機械能取電模塊的等效工作電壓低于2.85v，甚至只有2.5v甚至2v（必須大于JN5189的最低工作電壓1.9v），此時JN5189的EH設備發送Commissioning命令的電流（上半圖像）及電壓（下半圖像）波形分別如下圖3.3和3.4所示：要低于前面2.85v時的總能耗。

圖3.3 等效工作電壓2.5v時的電流(上半部分)及電壓（下半部分）波形（105.804uCx2.5v=264.51uJ）

圖3.4 等效工作電壓2.0v時的電流(上半部分)及電壓（下半部分）波形（110.315uCx2.0v=220.63uJ）

可見等效工作電壓越低，EH設備的總功耗也越低。所以在AN-1261下設計JN5189的EH產品時僅需關注機械能取電模塊的等效工作電壓低于2.85v的情況，且處于Commissioning模式下即可。

來源：恩智浦MCU加油站