ZigBee与EnOcean联盟组合实现超低功耗设备的能量收集

标准是物联网发展的基本要素，特别是对于工业设备。这在位于网络核心的无线连接及其与电池电源的使用中尤为明显。虽然2.4 GHz频段中存在一些全球标准，例如ZigBee和潜在的蓝牙，但这些仍然存在无线节点功耗方面的挑战，主要是因为所使用的协议更侧重于数据连接。虽然这些已经为具有有线功率的系统带来了吸引力，但是已经开始收集能量，特别是在工业应用中，并且这些协议可能过于耗电。

在拥有数千或数十个的工业网络中数千个电池供电的无线节点，取代电池是一项主要的运营成本和网络运营的风险。必须安排电池更换，以确保节点不会发生故障，并且不会遗漏重要数据。由于这些网络连接到互联网并且数据被馈送到云中进行分析和监控，因此这种可靠性更为重要。

因此，EnOcean等组织开发了自己的无线协议，通常基于在小型电报数据上，使用微量的电力，可以从室内照明，热差异或设备本身的振动中清除。即使可用的能量不足以获得恒定功率，使用能量收集来为电池充电也可以将无线节点的电池寿命大大延长到多年，从而提高了对该技术的接受度并使得能够推出工业互联网。物联网（IIoT）。

图1所示的EnOcean EDK350开发套件包括一个带有USB 300 USB网关的编程器/演示板，用于连接PC以控制TCM 320收发器模块和STM 300传感器模块。它还包括一个太阳能温度传感器，按钮发射器，机械能发电机和发射器模块，以演示自供电网络的所有元素。

图1：EDK350开发套件包含使用EnOcean的超低功耗协议构建自供电网络所需的所有元素。

然而，ZigBee等全球标准与EnOcean的能源优化协议之间存在不匹配。虽然ZigBee拥有十多家芯片供应商，为系统设计人员提供无线节点和网关的选择，但EnOcean联盟仍然依赖于一家公司EnOcean作为底层收发器，即使协议是作为国际ISO/IEC 14543-的一部分开放的 - 3-1X标准。这限制了希望将能量收集用于工业无线网络的设计人员的选择。

最新版本的ZigBee 3.0版现在旨在结合两种方法的优势，创建一个开放的全球规范，将能量收集无线通信扩展到更广泛的自供电IoT传感器解决方案。

图2：ZigBee 3.0旨在为可以使用能量收集的工业物联网奠定可互操作协议的基础。

ZigBee 3.0的目标是提供简化的统一物联网标准通过不仅在应用程序和协议层提供规范，而且现在在物理层提供规范，减少行业碎片，特别是工业网络，从而减少产品开发（图2）。与EnOcean联盟达成的协议是沿着这条道路迈出的第一步，因为这两个团队将联合开发ZigBee 3.0生态系统规范，以实现可互操作的自供电物联网解决方案。

这将实现第一个单一的统一，开放和完整的无线物联网产品开发解决方案，从物理层到应用网络层一直延伸，并包括认证和品牌推广，以提高不断增长的互操作性zigBee 3.0定义的互操作性将允许来自不同供应商的自供电设备即插即用，大大增加了批量商机，从而降低了成本。底层组件，包括当前的ZigBee硅控制器和收发器（见图3和图4）。

面临的挑战是在全球可用的未经许可的2.4 GHz频段中使用EnOcean电报方法，该频段已用于Wi-Fi等大容量消费类应用，允许无电池设备安全地连接网络各种能量收集应用。

这两个小组将根据这一全球标准定义全球能量收集无线解决方案的技术规范，使EnOcean Alliance的1500名成员能够访问当前sub-GHz网络之外的应用家庭和商业楼宇自动化。

来自ZigBee联盟和EnOcean联盟的技术任务组正在定义将标准化的EnOcean设备配置文件（EEP）与ZigBee 3.0协议结合在2.4 GHz IEEE 802.15中所需的技术规范。 4标准，并计划在2016年第二季度完成规范的定义。

这对两者之间的通用协议层的支持是这是简化工业物联网产品开发的几个步骤中的第一步，可编程的灵活硅控制器是此举的核心。能够将超低功耗EnOcean协议与现有的2.4 GHz收发器配合使用，开辟了广泛的现有控制器，进一步降低了功耗，使设备可以使用能量收集。

恩智浦的KW40Z是一款超低功耗，高度集成的单芯片设备，适用于802.15.4射频连接。如图3所示，它集成了工作在2.36 GHz至2.48 GHz范围内的无线电收发器，支持一系列FSK/GFSK，可支持EnOcean协议以及802.15.4-2011中定义的O-QPSK调制。/p>

图3：恩智浦的KW40Z是一款高度集成的ZigBee控制器和收发器，适用于超低功耗设计。

该设备可以是在应用程序中用作黑盒调制解调器，以将802.15.4连接添加到现有嵌入式控制器系统，或用作具有嵌入式应用程序的独立智能无线传感器，无需主机控制器。恩智浦提供完全认证的协议栈和应用程序配置文件以支持KW40Z，并且作为ZigBee合作伙伴正在开发ZigBee 3.0版本，该版本作为控制器上的固件实现。闪存和SRAM存储器可用于使用恩智浦或第三方软件开发工具的应用程序和通信协议。

通过Cortex M0 + CPU内核中的代码执行效率和多个低电平，已经实现了长电池寿命设备的电源工作模式，这些允许内核快速唤醒以发送电报（1 ms）并再次关闭。这将进一步降低EnOcean能量收集模式的功率。

集成的DC-DC转换器可实现0.9 V至4.2 V的宽工作范围，允许设备使用单个纽扣电池工作在整个有效电压范围0.9 V至1.795 V范围内，峰值Rx和Tx电流消耗显着降低。此功能可用于能量收集操作。

Silicon Labs的Ember EM358x是另一个完全集成的系统ZigBee的芯片，采用符合802.15.4-2003标准的收发器和功能更强大的ARM Cortex-M3微处理器。

图4：来自Silicon Labs的EM358x集成了一个Cortex-M3处理器内核来处理ZigBee协议。

如图所示在上面的图4中，收发器使用的有效架构超过了IEEE 802.15.4-2003标准规定的动态范围要求超过15 dB，并且集成的接收信道滤波允许与其他通信标准的强大共存。 2.4 GHz频谱。集成稳压器，VCO，环路滤波器和功率放大器可将外部元件数量保持在较低水平。

为了保持ZigBee标准严格的时序要求，EM358x将许多MAC功能，AES128加密加速器和自动CRC处理集成到硬件中，所有这些功能都将用于融合的ZigBee 3.0实现。 MAC硬件处理自动ACK发送和接收，自动退避延迟以及用于传输的空闲信道评估，以及自动过滤接收的分组。高频内部RC振荡器允许处理器内核在唤醒时快速开始执行代码，以最大限度地缩短唤醒时间，并提供各种深度睡眠模式，功耗低于2μA，同时保留RAM内容。

ZigBee的这种经验，加上低功耗处理器，如32位EFM32JG Jade Gecko和Silicon Labs在能量收集设计中的8位控制器的专业知识，共同为ZigBee 3.0系统提供了强大的平台。

结论

ZigBee与EnOcean联盟的结合有望实现针对能量收集而优化的超低功耗设备的全球生态系统。利用ZigBee芯片合作伙伴的硅专业知识添加EnOcean低功耗协议意味着当技术规范达成一致时，现有硬件可以轻松升级为新的ZigBee 3.0标准。这将允许工业物联网中的无线传感器节点可以自供电或使用能量收集来显着延长可充电电池的寿命，从而降低开发成本和网络的运营成本。