智能家居中可自行收集能量的无电池的无线设备

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1、背景

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低速短距离无线通信技术，用于创建个人区域网络。其名称来源于蜜蜂的八字舞，因为蜜蜂通过这种舞蹈来与同伴传递花粉的所在方位信息，从而构成了群体中的通信网络。ZigBee技术具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率等特点，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。

ZigBee协议栈从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等，其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee技术的主要特色包括支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、低成本、低功耗、快速、可靠和安全等。

因此，ZigBee是一种便宜的、低功耗的、近距离的无线组网通讯技术，适用于需要低功耗和低成本的无线通信应用，例如智能家居、工业自动化、环境监测等领域。

无需供电的微小能量收集设备是指能够收集周围环境中的微小能量并将其转换为电能的设备，而无需从外部电源供电。这种设备通常被用于低功耗、长时间运行的物联网（IoT）传感器和其他小型电子设备中，以延长设备的使用寿命和减少维护成本。

微小能量收集设备可以收集多种类型的能量，包括光能、热能、振动能、射频能等。以下是一些常见的无需供电的微小能量收集设备：

1. 光能收集器：利用光电效应将光能转换为电能。常见的光能收集器包括太阳能电池板和光电二极管。这些设备通常被用于户外环境中的传感器和监控设备中。
2. 热能收集器：利用热电效应将热能转换为电能。热能收集器通常被用于从工业设备、汽车尾气等热源中收集能量。
3. 振动能收集器：利用压电效应将机械振动转换为电能。振动能收集器通常被用于从机械振动源（如人体运动、机器振动等）中收集能量，用于为小型电子设备供电。
4. 射频能收集器：利用射频信号将电磁能转换为电能。射频能收集器通常被用于从无线电波、电视信号等中收集能量，为低功耗设备供电。

这些微小能量收集设备具有低功耗、长寿命、无需维护等优点，因此在物联网、智能家居、环境监测等领域得到了广泛应用。然而，由于收集的能量通常较小，因此这些设备通常只适用于低功耗、低数据速率的设备。

2、智能家居中可自行收集能量的无电池的无线设备

某些家庭自动化设备现在可以由能量收集解决方案供电，从而减少电池对环境的影响。Zigbee是一个开放的无线网状协议。Zigbee以其高度的互操作性而闻名。产品必须通过Zigbee认证才能带有Zigbee标志。从某种意义上说，这种互操作性也通过通用的Zigbee集群库应用于应用层。Zigbee是家庭自动化应用的理想选择，在这个市场上，它已经蓬勃发展了10多年，例如在灯、恒温器和智能插头方面。最新版本Zigbee 3.0引入了增强安全性和改进网络管理的功能。

任何Zigbee网络的构建块都是设备类型。这三种设备类型是协调器、路由器和终端设备。协调器负责最初形成网络，然后允许其他设备加入。任何Zigbee网络最多由一个协调器组成。路由器是实现网状网络的原因。他们负责在网络上路由数据包。协调员还执行路由职责。终端设备是低功耗设备，可能大部分时间处于睡眠状态。这使得它们可以由电池供电。它们严格通过当前的父级向网络发送消息。相反，任何以终端设备为目标的消息都必须路由到其父级，父级将保留该消息，直到终端设备轮询父级以查找挂起的消息。

从Zigbee网络的例子来看，有一个协调器、多个路由器和多个终端设备。请注意，路由器可以直接与多个设备通信，而终端设备仅直接与其父设备通信。每个节点运行公共MAC和PHY层。这些层负责通过空中传输和接收分组。MAC和PHY基于IEEE 802.15.4标准，该标准是为低数据速率、低功耗应用而设计的。网络层处理设备的关联，还维护路由路径。其他层为应用层提供支持。它们允许设备彼此行为相似，并实现前面提到的互操作性。

回到设备类型，通常会在智能家居集线器上找到协调员，因为这些集线器连接到互联网。这允许消费者从远程位置控制其支持Zigbee的家用产品。路由设备必须始终打开其RF接收器，并且应为电源供电。

Zigbee的绿色电源功能，也称为Zigbee Green Power，是Zigbee 3.0版本中的一个重要特性。它最初是为了支持那些超低功耗或无需电池的物联网通信设备而设计的。

Zigbee Green Power技术允许设备从环境中收集微小能量，如运动、光线、压电、帕尔贴效应等，来供电。对于只偶尔存在于网络中的设备，Green Power功能使其能够安全地进出网络，并在大部分时间保持关闭状态，从而节省能源。同时，它也可以延长使用电池供电的设备的电池寿命，使得这些设备能够使用同一电池运行多年。

Zigbee Green Power还提供了压缩、安全和高度优化的信息传输方式，使得超低功耗设备能够以可靠的方式将信息传送给距离远远超过其自身传播范围的网状网络中的目标设备。这种技术通过对物联网通信数据进行压缩，并通过Zigbee网状网络可靠地送达目标，距离远远超出超低功耗/无源设备本身的传输范围。

此外，Zigbee Green Power设备还可以与网状网络中的其他设备通信，即使在不需要Mesh的情况下也能进行低成本端网点的通信。

总的来说，Zigbee的绿色电源功能为物联网设备提供了一种高效、环保且低成本的能源解决方案，有助于推动物联网技术的广泛应用和发展。

Zigbee的绿色电源功能允许无电池设备在Zigbee网络中运行。当然，电池少并不等于能量少。有许多能源可以被捕获并转换为MCU使用。这些来源包括按钮按下、温度波动和环境光。

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Zigbee Green Power技术允许设备从环境中收集微小能量的具体原理主要基于能量收集技术。这些技术利用环境中的自然能源，如运动、光线、压电、帕尔贴效应等，将其转换为电能供设备使用。

• 运动能量收集：利用机械运动产生的能量来供电。例如，某些设备可以通过人体运动、机器振动等方式收集能量。这种技术利用压电效应，将机械能转换为电能。
• 光线能量收集：利用光能转换为电能。这通常通过光伏效应实现，与太阳能电池板的工作原理类似。设备中的光敏元件（如光电二极管或太阳能电池）可以吸收光线并将其转换为电流，为设备供电。
• 压电能量收集：当设备受到压力或变形时，压电材料会产生电荷，从而收集能量。这种技术常用于振动能收集器，将机械振动转换为电能。
• 帕尔贴效应能量收集：帕尔贴效应是指在两种不同的导体之间形成温差时，会产生电势差。通过控制导体之间的温差，可以收集到能量并将其转换为电能。

Zigbee Green Power将这些能量收集技术与Zigbee协议栈相结合，实现了超低功耗设备的无线通信。这些设备在收集到足够的能量后，可以通过Zigbee网络发送数据或接收指令，从而实现与其他设备的通信和控制。这种技术对于物联网应用来说非常有用，因为它可以延长设备的使用寿命，减少维护成本，并促进可持续的物联网发展。