物聯網是當前最炙手可熱的技術發展，但是許多物聯網設備仍必須仰賴電池來供應電力，而電池的消耗正對想要發展一個更加可持續的互聯世界，帶來了嚴苛的挑戰。如何利用能量收集技術來減少電池的消耗，正成為物聯網應用的熱門發展方向。本文將為您介紹能量收集技術在物聯網設備上的應用，以及由Silicon Labs（芯科科技）與合作伙伴所推出的相關解決方案。

電池問題是可持續發展目標中的嚴峻挑戰

在如今注重可持續發展的世界中，眾多的企業、消費者和國家/地區正努力于應對日益城市化所帶來的不斷增長的能源需求，追求碳中和的目標已經是必不可少的趨勢，采用既能盡量減少浪費，又能為用戶提供節能效益的技術解決方案變得至關重要，物聯網應用則正面臨著迎接這一轉變的挑戰。

當我們想到物聯網時，我們會想到一個由智能、創新設備驅動的無縫連接的世界。但是，這些設備需要什么來保持這種連接性呢？較為簡單的答案便是——電源，在大多數情況下則是指傳統電池。雖然電池可以勝任并滿足這些設備的目的，但確實存在許多的缺點。

經統計數據顯示，每年有超過150億個廢舊電池被送往垃圾填埋場，這導致約900,000噸有害的土壤和地下水污染廢物被排放。此外，僅在美國，平均每個家庭每年就會購買90塊以上的電池，其中大多數均未達10年的使用壽命。在2025年時，預計約有250億臺物聯網設備投入運行，每天則需要更換600萬塊電池。

這些數據指出了傳統電池的三個主要問題——不便和不當的處置方式、不斷的更換和可擴展性問題。這些缺陷不僅會對這些設備的功能和可靠性產生不利影響，而且還會阻礙智能物聯網應用向無電池、節能的未來轉變。為了應對傳統電池給設備制造商帶來的挑戰，并盡量減少一個更具無縫連接性的世界對環境和生態系統造成的威脅，我們現在有一類新型和新興的聯網設備——統稱為環境物聯網。

環境物聯網是指依靠磁場和電場、光、熱、動能和聲音等自然界中可利用的能源，為其提供動力的一類物聯網設備。這種從我們周圍的環境能源中提取運行功率的方法，消除了在物聯網設備中使用電池的需求。

借助環境物聯網，我們備受喜愛的智能設備現在可以依靠自然能源來獲取電力并維持連接性，而不是依靠傳統電池。這些能源（如光、熱、運動等）不僅延長了設備的使用壽命，并且還顯著降低了電池對環境的不利影響。

用于能量收集的創新無線互聯片上系統

Silicon Labs是創新和萬物互聯物聯網領域的一家領先公司，其使命是讓開發人員能夠創造無線聯網設備，從而改變行業、發展經濟，并改變人們的生活。Silicon Labs現在已經優化了xG22系列SoC（片上系統），以納入支持能量收集的功能，Silicon Labs新的能量優化xG22E SoC系列可支持物聯網設備的所有節能需求。

這個系列的電源封裝的MCU可提供8ms的上電復位（PoR），僅消耗150微焦耳（μJ）的能量，EM4喚醒僅需1.83毫秒，僅消耗16.6 μJ的能量。此外，它還提供很高的射頻（RF）性能、多協議支持和2.4GHz操作。它還支持多個電源和電源管理器件，使用戶能夠探索超級電容器等新的電池技術。

以EFR32xG22E為例，它具有超快速低能耗的冷啟動、低能耗的深度睡眠喚醒和高效的能源模式轉換，可減輕有害電流尖峰，并防止損壞蓄電池，是市場上可靠的無線遠程SoC之一。

xG22E SoC在市場上常見的一些應用包括智能家居和家電、游戲類電子設備、智能建筑，以及其他一些關鍵應用。像是在智能家居和家電中，門、水龍頭和開關等Zigbee智能家居和家電，均可以使用能量收集發電機，來消除對電池的依賴及其相關的更換成本。在游戲類電子設備中，室內太陽能電視遙控器和計算機鍵盤都需要節能且經濟高效的藍牙LE SoC。在智能建筑應用中，使用xG22E Zigbee Green Power可進行無電池門把手和電燈開關控制的動能脈沖收集，有助于減少不斷更換電池的需求。其他一些關鍵應用包括輪胎壓力監測傳感器、資產跟蹤、電子貨架標簽（ESL）、工廠自動化、預測性維護和農業。

創新的先進能量收集屏蔽體套件解決方案

為了幫助設備制造商構建完整的能量收集解決方案，Silicon Labs與行業領先的電源管理集成電路（PMIC）提供商e-peas合作，共同開發了一個適用于新的電源優化xG22E Explorer套件的先進能量收集屏蔽體套件。

該套件配有三個專用屏蔽體，緊貼在Explorer套件板上，該板已經過優化，可隔離任何電力泄漏并方便外部測量。第一個屏蔽體允許使用替代電池化學物質和超級電容器進行試驗。第二個屏蔽體專門用于動能／脈沖收集應用，并使用了e-peas AEM00300。這些屏蔽體提供了多個測試點，有助于調試及測量功耗。第三個屏蔽體使用了e-peas新穎而先進的PMIC AEM13920，這種屏蔽體使開發人員能夠同時使用雙重能量收集來源進行試驗。該套件附帶了大量適用于藍牙和Zigbee Green Power的經重新審視的示例應用，并提供了有關如何設置PMIC和優化代碼，以進行基于能源的決策說明。

以EFR32xG22E Explorer套件為例，這是超低成本的小封裝開發與評估平臺，主要用于快速執行EFR32xG22E藍牙LE物聯網應用的原型設計與概念創建。該套件有一個USB接口、一個板載SEGGER J-Link調試器、一個用戶LED和按鈕，并可通過mikroBus插座和Qwiic連接器對硬件附加板提供支持。硬件附加支持允許開發人員使用來自MIKROE、Sparkfun、AdaFruit和Seeed Studios的現成板，進行幾乎無限的組合來創建和原型化應用。

滿足低功耗、高傳輸效率需求的無線SoC解決方案

Silicon Labs的xG22E SoC包含多個產品線，包括EFR32BG22E系列、EFR32FG22E系列，以及EFR32MG22E系列，以下將為您介紹這些產品的相關特色。

首先介紹EFR32BG22系列2藍牙無線SoC，包括EFR32BG22和EFR32BG22E低功耗藍牙（LE）無線SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。這些器件的設計高度注重能源效率，提供一流的超低傳輸功率和接收功率，高性能、低功耗Arm Cortex -M33內核提供業界領先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長長達十年。

BG22讓您能夠創建節能應用，而BG22E（“E”表示節能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節能優勢。Silicon Labs的BG22和BG22E系列是適用于環境物聯網或能量收集設備的市場領先的理想SoC。目標應用包括藍牙網狀網絡低功耗節點、智能門鎖、個人醫療保健和健身設備。資產跟蹤標簽、信標和室內導航也將受益于SoC的多用途藍牙到達角（AOA）和出發角（AOD）功能以及亞米級定位精度。

EFR32FG22系列2專有無線2.4 Ghz SoC包含EFR32FG22和EFR32FG22E專有無線2.4 Ghz SoC，該解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。FG22 SoC將38.4 MHz Arm Cortex-M33內核與TrustZone以及接收靈敏度達-102.3 dBm的高性能無線電集成在一起。FG22讓您能夠創建節能應用，而FG22E（“E”表示節能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節能優勢。這款SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下為8.2 mA TX，3.6 mA RX）、1.2 μA深度睡眠模式功率，以及諸如RFSense之類創新低功耗功能組合在一起，提供業界領先的能源效率，可延長電池有限或能量收集選項的產品（如電子貨架標簽和工業無線傳感器節點使用的產品）的運行壽命。

EFR32MG22系列2 Zigbee SoC包括EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC，該解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。MG22系列提供優化的Zigbee SoC解決方案，該解決方案融合了帶TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM Cortex-M33內核。MG22讓您能夠創建節能應用，而MG22E（“E”表示節能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節能優勢。MG22 SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 μA深入睡眠模式功率和低功耗外圍器件組合在一起，為使用Zigbee協議的應用（包括綠色電源）提供業界領先的節能解決方案。物聯網應用包括智能家居傳感器、照明控制，以及建筑和工業自動化。

結語

當我們邁向更加智能與互聯的未來，能量收集技術正扮演著關鍵推手。通過將環境中無處不在的能量，如光能、熱能、振動能與射頻能轉化為電能，不僅能降低對傳統電源的依賴，更能延長設備壽命、減少電池廢棄物，實現真正的低碳與永續發展。隨著物聯網設備數量快速增加，能量收集將成為支持其長期穩定運作的重要基礎。本文所介紹的Silicon Labs推出的能量收集相關SoC解決方案，將在構建更綠色、高效且具韌性的互聯世界中，發揮不可或缺的核心作用。

本文轉載自艾睿電子網站