JN5189在無電池供電下的機械能取電應(yīng)用開發(fā)

電池供電設(shè)備需要更換電池，不僅增加費用，而且有些設(shè)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(shè)備。目前在無線物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出了使用機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置實現(xiàn)了無電池供電下基于802.15.4的GreenPower產(chǎn)品，即Energy Harvesting（簡稱EH）設(shè)備，獲得了廣泛的關(guān)注。

本文將介紹JN5189上基于AN-1261應(yīng)用的EH設(shè)備（On-Off開關(guān)）的開發(fā)。

JN5189系列是NX Semiconductors（恩智浦半導(dǎo)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(nèi)核的高性能MCU，專為低功耗無線應(yīng)用設(shè)計。

1、機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電能的等效圖

圖1.2 機械能轉(zhuǎn)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(chǎn)生交變電流，經(jīng)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?？蛇_60~70ms。

2、EH設(shè)備組網(wǎng)及On-Off開關(guān)操作

EH設(shè)備需要通過GPCombo（整合了Proxy+Sink功能）設(shè)備才能加入Zigbee網(wǎng)關(guān)，本文的EH設(shè)備為On-Off開關(guān)， 跟支持GPCombo功能的燈配對已加入（Commissioning）到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，如圖2.1所示：

圖2.1 EH On-Off設(shè)備組網(wǎng)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(shè)備無法雙向通信，只能發(fā)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(shè)備無法獲知其與GPCombo設(shè)備是否成功配對入網(wǎng)，所以必須借助輔助手段來判斷EH設(shè)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(xù)快速閃速到配對成功后燈的熄滅，若是就說明成功入網(wǎng)，否則就是未成功。

第48行：Combo設(shè)備進入Commissioning配網(wǎng)模式，燈開啟3分鐘的快速連續(xù)閃速模

第53行：EH設(shè)備廣播Commissioning命令

第57行：Combo設(shè)備處理收到的EH的Commissioning命令

第62行：EH設(shè)備和Combo設(shè)備配網(wǎng)成功

第66行：Combo退出配網(wǎng)模式，燈停止閃速
成功配網(wǎng)后EH設(shè)備才能在每次按壓后發(fā)送On或Off開關(guān)命令，這需要使用者預(yù)先手工切換EH設(shè)備的當前工作模式，可由PIO電平來配置EH的當前狀態(tài)，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(wǎng)后將PIO-B置為高電平，進入發(fā)送On或Off命令的開關(guān)模式。

3、基于AN-1261的EH設(shè)備參考設(shè)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(shè)備能夠獲取的能量是十分有限的，通常其無線射頻Tx的發(fā)送功率不超過0dBm（1mW）；此外由于如此低的發(fā)射功率很容易受到周圍環(huán)境中無線信號的干擾，且EH只能單向發(fā)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(fā)送的消息，所以相同的EH消息需要多次發(fā)送，一般連續(xù)發(fā)送3次，從而增加接收方收到EH發(fā)送消息的概率。根據(jù)對AN-1261中EH例程On-Off 開關(guān)的實測，只有當JN5189的輸入工作電壓等效為2.85v時，EH設(shè)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(shè)備配網(wǎng)時發(fā)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(shè)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(fā)送Commissioning命令的總能耗w=qv。

上圖中兩根垂直綠線（1a~1b）范圍內(nèi)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(xù)跟著兩個Tx。EH設(shè)備發(fā)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(wǎng)Commissioning過程?。?1.6438x2.85=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(jié)）

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

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(shè)備發(fā)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(shè)備的總功耗也越低。所以在AN-1261下設(shè)計JN5189的EH產(chǎn)品時僅需關(guān)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