如何实现三个基于ZigBee的传输

　　设计与能量收集源一起使用的 ZigBee 应用程序面临许多挑战。由于产生的能量很少，最难使用的收割机之一是自供电开关。利用超低功耗 Jennic JN5148 微控制器，可以设计一个由 SPS 供电的工作应用程序，该应用程序只需 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一种发电方法，为可持续的无线传感器网络解决方案带来了潜力，从而解决了持续维护成本和电池处理的环境问题等关键问题。

　　使用 JN5148 内部的高性能 32 位 RISC CPU 内核进行快速处理，结合设备在睡眠和活动时的超低功耗，使设计人员能够使用通常被认为微不足道的能量水平产生足够的电力来为超低功耗 Jennic 微控制器供电。

　　Jennic 最近与多家能量收集供应商合作，专注于将可持续电源用于基于标准的无线传感器网络。

　　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），它通常可以使用机电或压电换能器从按下开关的物理动作中产生小的电压脉冲。

　　此类收割机可用于门激活触点、落地式压力开关和电灯开关等应用。无线开关不需要电池，因其环保内涵而对消费者具有吸引力，且维护成本低。没有电线使它们可以轻松且便宜地安装在任何表面上。

　　SPS 产生的能量脉冲通常定义明确且可重复，但是，产生的能量可能非常小（在某些情况下低至 150 uJ），并且由于开关的连续驱动之间可能有很长的时间，压力机之间通常没有可用的存储能量。由于这些原因，SPS 是最难利用的能量收集源之一，即使使用 JN5148，实现工作解决方案也存在许多设计挑战。

　　典型 ZigBee 传输的配置文件

　　图 1 显示了使用 JN5148 的典型基于 ZigBee 的传输。设备唤醒并将程序从外部闪存加载到 RAM 中，然后初始化 MAC 软件层。该程序然后运行一些校准例程以优化无线电性能。这些通常在每次芯片唤醒时执行，以防在芯片休眠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（清除通道评估）以检查通道是否不忙，以改善接收的机会。接下来，它将有效载荷作为 ZigBee 数据包传输，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，则配置文件可能会因进一步的延迟和重传而增加。最后设备进入睡眠状态，如果有数据要保留，则可以通过睡眠来维持 RAM。但是，如果睡眠时间较长，则将数据写入闪存可能会更有效（此配置文件中未显示）。

　　图 1：典型 ZigBee 传输配置文件。

　　尽管图 1 中讨论的能量分布很小（2 V 时为 300 uJ），但这仍可能超过自供电开关的可用能量，这意味着典型的 ZigBee 应用可能不适合与此电源一起使用。ZigBee 联盟已经承认这一事实，该联盟有一个工作组来开发 ZigBee 绿色电源标准。Jennic 是 ZigBee 联盟的成员。

　　在撰写本文时，该标准仍在制定中。有人提出了一类功能减少的设备，以满足某些采集资源的最低能量预算。这些建议包括减少网络报头和至少发送三次传输等方面，以便可以在不需要 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，而且使它们更加明确，这对于只有有限能量脉冲可用的应用非常重要。此外，建议设备不需要与网络关联，而是允许漫游，仅执行广播传输。

　　考虑到这些建议，设计了一个具有绝对最低功率要求的应用，该应用适合与 SPS 等源一起使用。

　　超低功耗应用

　　Jennic JN5148 SPS 应用的能量分布如图 2 所示。该设备唤醒、加载程序、校准无线电、以全输出功率 （2.5 dBm） 发射，然后在唤醒前进入休眠一小段时间两次以上以执行两个后续传输。因为没有能量存储，所以设备在第一次传输之前必须进行完整的初始化和校准。但是，它可以在 RAM 中保留寄存器值的情况下进入睡眠状态，因此对于后续传输，唤醒和初始化周期非常小。由于睡眠时间很短，因此可以假设没有温度变化，因此可以重新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。

　　由于设备只执行传输操作，因此 IEEE 802.15.4 MAC 初始化显着减少。这与 1 kbyte 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。之前传输的 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 标头和 6 个字节的有效负载。由于代码大小现在非常小，因此使用低成本的 EEPROM 来保存应用程序代码并存储 MAC 序列号，该序列号在每次按下开关时递增并写回 EEPROM。

　　完整的解决方案是使用 50 uAs 的电荷（2 v 时为 100 uJ）实现的。Jennic 解决方案已通过商用自供电开关进行了演示，以实现至少三个成功传输。