基于芯科科技能量采集平台构建无电池物联网系统
能量采集是一种从环境资源中获取、转换并存储能量的技术，常见能源包括太阳能、射频波和机械振动等。该技术是环境物联网（Ambient IoT）实现的关键，这类系统通过从周围环境中捕获能量运作，而非依赖传统电池供电。
本文将深入解析能量流的各个阶段，帮助理解核心问题：当前的能量采集能力是否足以满足应用需求？同时，文章将介绍光能采集系统的架构、能量流动、设计权衡及验证方法，并重点推荐实用工具，例如 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功率测量设备。
芯科科技能量采集平台概览
芯科科技的EFR32xG22E无线SoC平台专为能量采集优化，具备极低功耗特性。实测数据显示，从冷启动至运行仅需150微焦耳（µJ），而在深度睡眠（EM4）模式下唤醒仅消耗17微焦耳。平台采用精确的能量预算技术，以微焦耳为单位平衡输入和消耗，并根据实时能量状态动态调整系统行为，如控制传输频率、负载大小和内存操作。这种架构特别适合在能量受限环境下实现长期稳定的系统运行，为可扩展的环境物联网部署提供了坚实基础。
能量采集系统的构建要素
一个典型的光能采集系统通常包含以下四大核心部分：
- 光伏电池：用于将光能转化为电能，其效率取决于光照强度、入射角及电池材料。
- 电源管理芯片：负责电压调节、功率提升和最大功率点跟踪（MPPT）功能，以优化能量捕获效率。
- 能量存储模块：包括超级电容器、可充电电池或混合方案，选择方式需结合应用的能量特性和运行周期。
- 负载设备：即嵌入式系统，如传感器节点或无线发射器。
硬件设备详解：xG22-EK8200A能量采集套件
芯科科技的xG22-EK8200A开发套件专为基于能量采集的无线设备开发设计，支持蓝牙低功耗（BLE）和Zigbee Green Power协议。该套件基于EFR32xG22E无线SoC构建，具备超快冷启动和低功耗深度睡眠唤醒特性，适用于多种能量受限环境。
该平台包含三个由e-peas公司设计的扩展板，能够与光伏电池等多种能量源进行评估测试。
BRD8201A - 双源采集扩展板
该扩展板采用e-peas的AEM13920 PMIC，支持双源能量采集测试，便于用户验证不同能量输入下的系统运行表现。
BRD8202A - 动能按钮扩展板
专为动能采集设计，通过人体运动产生的脉冲能量为无线SoC供电，采用e-peas的AEM00300 PMIC。
BRD8203A - 电池扩展板
用于评估多种电池化学体系及超级电容器的性能，适配不同能量存储需求。
套件包含光伏电池（Voltaiq Systems P121 R1H）和能量存储模块（Tecate 10F 3.8V 锂超级电容器）。
能量采集实测与分析
通过光伏电池采集的电能与PMIC的协同作用，系统能够实现高效能量管理。使用Otii Ace Pro测量电流与电压，可观察到PMIC在不同光照条件下的动态调节行为。
PMIC在每次循环中，会暂时断开负载以测量光伏电池的开路电压（Voc），并基于该值计算最大功率点（MPP）。e-peas的PMIC允许用户将Voc与MPP之间的比例配置在35%至85%之间，默认为75%。在典型工作条件下，系统可实现稳定、高效的能量采集。
在能量存储测试中，Otii Ace Pro监测了能量在电池中的流动情况。结果表明，在空闲时段，能量采集器提供的能量超过系统消耗，电池可实现再充电，系统具备自持能力。
IoT设备的低功耗特性
构建高效的能量采集系统，核心在于设备本身的能效表现。持续的测量与优化是实现高效率的关键，同时需优先选择低功耗组件。
BRD8201A作为双源采集扩展板，集成了EFR32xG22E无线SoC，为开发者提供真实的能量采集环境评估平台。结合Otii Ace Pro的监测，系统在27秒的活动周期中平均电流为160µA，而在休眠状态下电流低于300nA，进一步证明了其在超低功耗应用中的优势。
无电池物联网的实现前景
本次评估展示了基于光能采集技术构建无电池物联网系统的可行性。结合EFR32xG22E平台和Qoitech的Otii Ace Pro工具，开发者能够设计出具备MPPT功能、可在动态光照条件下运行的系统。
通过双Otii Ace Pro设备的配合，系统能够实现对能量输入和存储过程的精细监测，揭示出芯片在低功耗运行和快速唤醒方面的关键性能指标，如休眠电流低于300nA，唤醒能耗仅17µJ。这些数据证明了在能量受限环境中实现持续运行的可能性。
此外，实测结果表明，通过合理的功耗优化和能量管理策略，系统具备自给自足能力。这种架构不仅验证了能量采集技术的实用性，也为环境物联网的长期可持续发展提供了可靠路径。