JN5189在无电池供电下的机械能取电应用开发

电池供电设备需要更换电池，不仅增加费用，而且有些设备安装后更换电池不方便，所以人们一直尝试引入无电池供电的低功耗设备。目前在无线物联网领域推出了使用机械能转换为电能的装置实现了无电池供电下基于802.15.4的GreenPower产品，即Energy Harvesting（简称EH）设备，获得了广泛的关注。

本文将介绍JN5189上基于AN-1261应用的EH设备（On-Off开关）的开发。

JN5189系列是NX Semiconductors（恩智浦半导体）推出的低功耗无线微控制器（MCU）系列。它们是基于Arm Cortex-M4内核的高性能MCU，专为低功耗无线应用设计。

1机械能转换为电能的装置-机械能换电模块

C为储能电容，R为放电电阻（10K欧量级）

图1.1机械能转换为电能的等效图

图1.2 机械能转换为电能的时序图

如图1.1和图1.2所示，机械能换电模块在按钮被按下及释放（弹起）时两次切割线圈绕组（金属切割磁力线）产生交变电流，经过全桥整流后对储能电容充电，然后通过电阻放电，使得有效输出超过实际的按钮按压与释放时长，通常可达60~70ms。

2EH设备组网及On-Off开关操作

由于机械能换电模块有效输出时间很短（几十ms），所以EH设备无法双向通信，只能发送而没有时间接收返回的消息，因此属于单向通讯。

• 第48行：Combo设备进入Commissioning配网模式，灯开启3分钟的快速连续闪速模
• 第53行：EH设备广播Commissioning命令
• 第57行：Combo设备处理收到的EH的Commissioning命令
• 第62行：EH设备和Combo设备配网成功
• 第66行：Combo退出配网模式，灯停止闪速
  

通常出厂时PIO-A和PIO-B都为低电平处于配对模式；成功配对入网后将PIO-B置为高电平，进入发送On或Off命令的开关模式。

3基于AN-1261的EH设备参考设计

根据对AN-1261中EH例程On-Off 开关的实测，只有当JN5189的输入工作电压等效为2.85v时，EH设备消耗的能量才小于机械能换电模块的最大输出300uJ。

下图为使用JouleScope测量的JN5189 EH设备配网时发送Commissioning命令的电流（上半部分）及电压（下半部分）波形：电流波形模拟了使用者从按下机械能取电设备上的按钮到松开该按钮期间的全程等效电量q，乘以JN5189的等效工作电压v，即得到发送Commissioning命令的总能耗w=qv。

这两者的差别是由于On-Off命令（下图3.1）比Commissioning命令（下图3.2）的帧负载（Payload）少：

若机械能取电模块的等效工作电压低于2.85v，甚至只有2.5v甚至2v（必须大于JN5189的最低工作电压1.9v），此时JN5189的EH设备发送Commissioning命令的电流（上半图像）及电压（下半图像）波形分别如下图3.3和3.4所示：要低于前面2.85v时的总能耗。

图3.4 等效工作电压2.0v时的电流(上半部分)

可见等效工作电压越低，EH设备的总功耗也越低。所以在AN-1261下设计JN5189的EH产品时仅需关注机械能取电模块的等效工作电压低于2.85v的情况，且处于Commissioning模式下即可。

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