設計與能量收集源一起使用的 ZigBee 應用程序面臨許多挑戰。由于產生的能量很少，最難使用的收割機之一是自供電開關。利用超低功耗 Jennic JN5148 微控制器，可以設計一個由 SPS 供電的工作應用程序，該應用程序只需 100 uJ 的能量即可實現三個基于 ZigBee 的傳輸。

　　能量收集作為無線傳感器的一種發電方法，為可持續的無線傳感器網絡解決方案帶來了潛力，從而解決了持續維護成本和電池處理的環境問題等關鍵問題。

　　使用 JN5148 內部的高性能 32 位 RISC CPU 內核進行快速處理，結合設備在睡眠和活動時的超低功耗，使設計人員能夠使用通常被認為微不足道的能量水平產生足夠的電力來為超低功耗 Jennic 微控制器供電。

　　Jennic 最近與多家能量收集供應商合作，專注于將可持續電源用于基于標準的無線傳感器網絡。

　　自供電開關

　　一種特別感興趣的能量收集源是自供電開關 （SPS），它通常可以使用機電或壓電換能器從按下開關的物理動作中產生小的電壓脈沖。

　　此類收割機可用于門激活觸點、落地式壓力開關和電燈開關等應用。無線開關不需要電池，因其環保內涵而對消費者具有吸引力，且維護成本低。沒有電線使它們可以輕松且便宜地安裝在任何表面上。

　　SPS 產生的能量脈沖通常定義明確且可重復，但是，產生的能量可能非常小（在某些情況下低至 150 uJ），并且由于開關的連續驅動之間可能有很長的時間，壓力機之間通常沒有可用的存儲能量。由于這些原因，SPS 是最難利用的能量收集源之一，即使使用 JN5148，實現工作解決方案也存在許多設計挑戰。

　　典型 ZigBee 傳輸的配置文件

　　圖 1 顯示了使用 JN5148 的典型基于 ZigBee 的傳輸。設備喚醒并將程序從外部閃存加載到 RAM 中，然后初始化 MAC 軟件層。該程序然后運行一些校準例程以優化無線電性能。這些通常在每次芯片喚醒時執行，以防在芯片休眠時環境溫度發生顯著變化。該程序使用 ADC 和數字 I/O 進行一些測量，處理數據并生成要傳輸的數據的有效載荷，然后設備執行 CCA（清除通道評估）以檢查通道是否不忙，以改善接收的機會。接下來，它將有效載荷作為 ZigBee 數據包傳輸，然后進入接收模式以等待幀確認。如果 CCA 失敗或未收到確認，則配置文件可能會因進一步的延遲和重傳而增加。最后設備進入睡眠狀態，如果有數據要保留，則可以通過睡眠來維持 RAM。但是，如果睡眠時間較長，則將數據寫入閃存可能會更有效（此配置文件中未顯示）。

　　圖 1：典型 ZigBee 傳輸配置文件。

　　盡管圖 1 中討論的能量分布很小（2 V 時為 300 uJ），但這仍可能超過自供電開關的可用能量，這意味著典型的 ZigBee 應用可能不適合與此電源一起使用。ZigBee 聯盟已經承認這一事實，該聯盟有一個工作組來開發 ZigBee 綠色電源標準。Jennic 是 ZigBee 聯盟的成員。

　　在撰寫本文時，該標準仍在制定中。有人提出了一類功能減少的設備，以滿足某些采集資源的最低能量預算。這些建議包括減少網絡報頭和至少發送三次傳輸等方面，以便可以在不需要 CCA 或幀確認的情況下實現成功傳輸的良好概率。這不僅降低了能量需求，而且使它們更加明確，這對于只有有限能量脈沖可用的應用非常重要。此外，建議設備不需要與網絡關聯，而是允許漫游，僅執行廣播傳輸。

　　考慮到這些建議，設計了一個具有絕對最低功率要求的應用，該應用適合與 SPS 等源一起使用。

　　超低功耗應用

　　Jennic JN5148 SPS 應用的能量分布如圖 2 所示。該設備喚醒、加載程序、校準無線電、以全輸出功率 （2.5 dBm） 發射，然后在喚醒前進入休眠一小段時間兩次以上以執行兩個后續傳輸。因為沒有能量存儲，所以設備在第一次傳輸之前必須進行完整的初始化和校準。但是，它可以在 RAM 中保留寄存器值的情況下進入睡眠狀態，因此對于后續傳輸，喚醒和初始化周期非常小。由于睡眠時間很短，因此可以假設沒有溫度變化，因此可以重新使用初始無線電校準的值。

　　圖 2：自供電開關應用的配置文件。

　　由于設備只執行傳輸操作，因此 IEEE 802.15.4 MAC 初始化顯著減少。這與 1 kbyte 的小代碼大小相結合，意味著初始程序負載和設置減少到最低限度。之前傳輸的 CCA 已被刪除，傳輸的數據包現在長度為 21 個字節，包含減少的 ZigBee 標頭和 6 個字節的有效負載。由于代碼大小現在非常小，因此使用低成本的 EEPROM 來保存應用程序代碼并存儲 MAC 序列號，該序列號在每次按下開關時遞增并寫回 EEPROM。

　　完整的解決方案是使用 50 uAs 的電荷（2 v 時為 100 uJ）實現的。Jennic 解決方案已通過商用自供電開關進行了演示，以實現至少三個成功傳輸。