JN5189在无电池供电下的机械能取电应用开发

电池供电设备需要更换电池，不仅增加费用，而且有些设备安装后更换电池不方便，所以人们一直尝试引入无电池供电的低功耗设备。目前在无线物联网领域推出了使用机械能转换为电能的装置实现了无电池供电下基于802.15.4的GreenPower产品，即Energy Harvesting（简称EH）设备，获得了广泛的关注。

本文将介绍JN5189上基于AN-1261应用的EH设备（On-Off开关）的开发。

 

 

JN5189系列是NX Semiconductors（恩智浦半导体）推出的低功耗无线微控制器（MCU）系列。它们是基于Arm Cortex-M4内核的高性能MCU，专为低功耗无线应用设计。

1机械能转换为电能的装置-机械能换电模块

C为储能电容，R为放电电阻（10K欧量级）

图1.1 机械能转换为电能的等效图   

图1.2 机械能转换为电能的时序图

 

 

如图1.1和图1.2所示，机械能换电模块在按钮被按下及释放（弹起）时两次切割线圈绕组（金属切割磁力线）产生交变电流，经过全桥整流后对储能电容充电，然后通过电阻放电，使得有效输出超过实际的按钮按压与释放时长，通常可达60~70ms。

2EH设备组网及On-Off开关操作

EH设备需要通过GPCombo（整合了Proxy+Sink功能）设备才能加入Zigbee网关，本文的EH设备为On-Off开关， 跟支持GPCombo功能的灯配对已加入（Commissioning）到ZigBee网络中，如图2.1所示：图2.1 EH On-Off设备组网示意图

由于机械能换电模块有效输出时间很短（几十ms），所以EH设备无法双向通信，只能发送而没有时间接收返回的消息，因此属于单向通讯。

这就带来一个问题：EH设备无法获知其与GPCombo设备是否成功配对入网，所以必须借助辅助手段来判断EH设备是否正确配对成功：使用Ubiqua抓包（如下图）或者在没有Ubiqua时观察GPCombo的灯是否由配对时的连续快速闪速到配对成功后灯的熄灭，若是就说明成功入网，否则就是未成功。

• 第48行：Combo设备进入Commissioning配网模式，灯开启3分钟的快速连续闪速模
• 第53行：EH设备广播Commissioning命令
• 第57行：Combo设备处理收到的EH的Commissioning命令
• 第62行：EH设备和Combo设备配网成功
• 第66行：Combo退出配网模式，灯停止闪速  

成功配网后EH设备才能在每次按压后发送On或Off开关命令，这需要使用者预先手工切换EH设备的当前工作模式，可由PIO电平来配置EH的当前状态，比如将PIO-A和PIO-B置为输入模式，共有4种不同的工作模式：

PIO-A=  Low, PIO-B=  Low	Commissiong命令
PIO-A=  Low, PIO-B=  High	OnOff命令
PIO-A=  High, PIO-B=  Low	Pair到更多的Combo设备
PIO-A=  High, PIO-B=  High	Decommissiong命令

通常出厂时PIO-A和PIO-B都为低电平处于配对模式；成功配对入网后将PIO-B置为高电平，进入发送On或Off命令的开关模式。

3基于AN-1261的EH设备参考设计

以某机械能换电模块为例，其最大输出能量约300uJ。考虑到EH设备能够获取的能量是十分有限的，通常其无线射频Tx的发送功率不超过0dBm（1mW）；此外由于如此低的发射功率很容易受到周围环境中无线信号的干扰，且EH只能单向发送消息，缺乏接收方的反馈，无法判断对方是否正确收到EH发送的消息，所以相同的EH消息需要多次发送，一般连续发送3次，从而增加接收方收到EH发送消息的概率。

 

根据对AN-1261中EH例程On-Off 开关的实测，只有当JN5189的输入工作电压等效为2.85v时，EH设备消耗的能量才小于机械能换电模块的最大输出300uJ。

下图为使用JouleScope测量的JN5189 EH设备配网时发送Commissioning命令的电流（上半部分）及电压（下半部分）波形：电流波形模拟了使用者从按下机械能取电设备上的按钮到松开该按钮期间的全程等效电量q，乘以JN5189的等效工作电压v，即得到发送Commissioning命令的总能耗w=qv。

 

上图中两根垂直绿线（1a~1b）范围内的总电量为104.671uC，乘以等效工作电压2.85v：104.671uCx2.85v=298.31uJ（非常接近但小于300uJ）；垂直蓝线2在下半部分电压波形上截取的电压约为1.9v，这是JN5189开始正常工作的最低电压（POR）; 垂直紫线（3a~3b）之间为Tx波形，后面连续跟着两个Tx。

 

EH设备发送On/Off命令时的电流（上半图像）及电压（下半图像）波形如下图：其消耗能量比前面的配网Commissioning过程小：81.6438x2.85=232.685uJ

这两者的差别是由于On-Off命令（下图3.1）比Commissioning命令（下图3.2）的帧负载（Payload）少：

 图3.1  On/Off命令帧（MAC Payload为15字节）

 

  图3.2  Commissioning命令帧（MAC Payload为34字节）

 

 

 

若机械能取电模块的等效工作电压低于2.85v，甚至只有2.5v甚至2v（必须大于JN5189的最低工作电压1.9v），此时JN5189的EH设备发送Commissioning命令的电流（上半图像）及电压（下半图像）波形分别如下图3.3和3.4所示：要低于前面2.85v时的总能耗。

 

图3.3  等效工作电压2.5v时的电流(上半部分) 及电压（下半部分）波形（105.804uCx2.5v=264.51uJ）

 

图3.4  等效工作电压2.0v时的电流(上半部分)及电压（下半部分）波形（110.315uCx2.0v=220.63uJ）

 

可见等效工作电压越低，EH设备的总功耗也越低。所以在AN-1261下设计JN5189的EH产品时仅需关注机械能取电模块的等效工作电压低于2.85v的情况，且处于Commissioning模式下即可。

 

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审核编辑 ：李倩