芯科科技能量采集平台助力无电池物联网系统实现
能量采集技术，即从太阳能、射频波或机械振动等环境能源中获取、转化并存储能量的过程，已成为环境物联网（Ambient IoT）体系中的核心技术之一。环境物联网系统依赖于这些低功耗设备从周围环境中“捕获”能量，而非依赖传统电池供电。
本文将深入剖析能量采集系统的各个关键环节，帮助开发者全面评估能量预算是否足以支撑特定应用场景。同时，还将介绍光能采集系统的架构设计、能量流动路径、优化策略以及验证方法。此外，文章还将重点介绍两款关键工具：Silicon Labs（芯科科技）推出的EFR32xG22E能量采集开发套件，以及Qoitech的Otii Ace Pro功率分析仪，它们在蓝牙和Zigbee Green Power无线协议支持下为开发工作提供支持。
芯科科技能量采集平台概览
芯科科技的EFR32xG22E无线SoC专为能量采集应用优化，具备超低功耗特性。实测数据显示，其冷启动时仅需150微焦耳（µJ）能量，而从深度睡眠模式（EM4）唤醒时仅消耗17微焦耳，体现出极低的能量开销与高效的响应能力。该平台通过精确的能量预算机制，在输入能量与系统消耗之间进行微焦级别的动态平衡，并可根据实时可用能量调整固件行为，如控制传输频率、负载大小和内存操作。这种机制确保系统在能量受限环境中仍能稳定运行，适用于大规模环境物联网部署。
能量采集系统的关键组件
一个典型的光能采集系统通常由以下四个核心模块构成：
- 光伏电池：负责将光能转化为电能，其转换效率取决于光照强度、入射角度及电池材料。
- 电源管理（PMIC）芯片：用于电压调节、功率优化，并通过最大功率点跟踪（MPPT）技术实现能量采集效率最大化。
- 能量存储单元：可采用超级电容、可充电电池或混合方案进行能量暂存，具体选择取决于系统的能量需求和工作周期。
- 负载设备：即嵌入式系统，如传感器节点或无线传输模块，用于执行实际任务。
芯科科技xG22-EK8200A能量采集开发套件
xG22-EK8200A开发套件专为基于能量采集的无线设备开发而设计，支持Bluetooth Low Energy（BLE）和Zigbee Green Power等无线协议。该套件基于EFR32xG22E无线SoC，具备快速冷启动和深度睡眠唤醒能力，适用于多种低功耗应用场景。套件还配套三个扩展板，与e-peas合作开发，支持光伏电池等能量源的评估与测试。
扩展板功能介绍
- BRD8201A 双源采集扩展板：搭载e-peas AEM13920 PMIC，支持双能量源测试，便于开发者评估不同能量输入下的系统表现。
- BRD8202A 动能按钮扩展板：专为脉冲能量采集设计，配合BRD8206A动能按钮模块，演示如何通过机械动作实现能量供给。
- BRD8203A 电池扩展板：用于测试不同电池化学体系及超级电容器性能。
光伏与能量采集实测分析
通过xG22-EK8200A与两台Otii Ace Pro设备组成测试系统，开发者可对光伏输入、能量存储行为等关键参数进行实时监控。该设置可根据需要扩展，以评估多个组件的能量表现。
在光伏能量采集测试中，e-peas AEM13920 PMIC会周期性地断开负载，测量光伏电池的开路电压（Voc），并据此调整输出电压至最大功率点（MPP）。这种机制确保了在不同光照条件下，光伏系统的输出效率始终接近最优。
通过Otii Ace Pro测量，可以清晰看到电池在充电和放电过程中的电流变化。在系统处于活跃状态时，芯片从电池汲取能量以执行数据传输任务；而在休眠阶段，采集系统补充的能量大于系统消耗，实现能量的自给自足。
IoT设备的功耗特性
构建高效的能量采集系统，首先需确保设备本身具备出色的能效表现。开发过程中持续的功耗测量与优化是实现自维持运行的关键。
以BRD8201A双源采集扩展板为例，其在27秒的周期中平均功耗约为160 µA，而在深度睡眠模式下，芯片功耗低于300 nA。这充分展示了其在低功耗物联网应用中的优势。
无电池物联网的现实潜力
本次评估展示了基于光能采集的无电池物联网系统具备的实际应用价值。通过EFR32xG22E平台与Otii Ace Pro测量工具的结合，开发者可精准掌握能量流的每一个环节，从而优化系统设计。
实验表明，合理配置低功耗组件与优化固件行为，可以实现系统的能量自给。测试中观察到的负净电流表明系统在完整周期内实现了能量回收，从而验证了能量采集架构的可行性。同时，采用超级电容器或混合存储方案，还能提升系统在低光照条件下的稳定性。
随着环境物联网的不断发展，此类系统将为构建可持续、免维护的IoT网络提供坚实基础。xG22E能量采集套件与Otii Ace Pro工具链的结合，标志着无电池物联网的未来已不再遥远。