Micro Energy Harvesting (MEH) mit ZigBee Green Power

Micro Energy Harvesting (MEH) ist ein Konzept, das zur Energiegewinnung benutzt wird. Es ermöglicht die Gewinnung kleiner Energiemengen aus verschiedensten Quellen, wie beispielsweise Betätigung eines Schalters oder Tasters, Drehen des Dimmers und Temperaturunterschiede. Dieser geringe Strom reicht für den Versand der ZigBee-Befehle über das Netzwerk aus und machte damit die Verbindung möglich.

Der offene End-to-End-Standard

Zigbee Green Power (ZGP) ist ein offener End-to-End-Standard, der in die aktuelle Zigbee 3.0 Spezifikation (Z3) integriert wurde und von der Zigbee Alliance verwaltet wird. Die Technologie ermöglicht den Betrieb von Ultra Low Power Geräten, sogenannten Green Power Devices (GPDs), innerhalb eines ZigBee Netzwerks ohne den Bedarf einer regelmäßigen Energieversorgung oder von Batteriewechseln. ZGP nutzt Hochfrequenztechnologien zur Kommunikation mit dem GPD sowie speziell für diese Anwendung entwickelte Protokolle um mit sehr geringer Sendeleistung eine hohe Übertragungseffizienz zu erreichen.

Durch den Einsatz von Silizium mit extrem geringem Stromverbrauch kann eine sleepy oder vollständig vernetzte Zigbee-Funkverbindung aufgebaut werden und dabei benötigt ZigBee Green Power deutlich weniger Strom zur Verbindung als normalerweise üblich.

Leistungsmodi EFR32xG22 EM2 und EM4

Die EFR32xG22-Plattform bietet zwei Leistungsmodi, EM2 und EM4, die in Verbindung mit der Backup-RAM-Funktion ideal für die Implementierung eines periodischen oder ereignisbasierten GPD-Sensors mit bidirektionaler Inbetriebnahme und gesichertem Schlüsselaustausch geeignet sind. Mit EM2 kann der Sensor in einen energieeffizienten Ruhezustand versetzt werden, um den Energieverbrauch zu minimieren, während der Speicherinhalt im Backup-RAM gesichert wird. Dies ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung des Sensorstatus bei Aktivierung. EM4 hingegen bietet einen noch tieferen Energiesparmodus, der den Prozessor vollständig abschaltet und nur den Backup-RAM aktiviert, um wichtige Daten zu speichern.

Die Kombination aus diesen Leistungsmodi und der Backup-RAM-Funktion gewährleistet eine zuverlässige Datenspeicherung und ermöglicht die bidirektionale Inbetriebnahme des GPD-Sensors, um auf Ereignisse oder periodische Messungen zu reagieren. Darüber hinaus ermöglicht die gesicherte Schlüsselaustauschfunktion eine sichere Kommunikation zwischen dem Sensor und anderen Geräten, um die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten zu gewährleisten.

Infografik: Die ZigBee Mesh-Netzwerk-Topologie sowie die Rollen der Knoten im Netzwerk.

GPD-Kommunikation

Eine der grundlegenden Arten von Kommunikationsmodi basiert auf dem Energiebudget, das für die Kommunikation zur Verfügung steht. Diese Art von Kommunikationsmodi bezieht sich auf die Menge an Energie, die für die Kommunikation verwendet werden kann, und wie diese Energie verwendet wird, um eine effektive Kommunikation zu ermöglichen. Es gibt zwei Hauptvarianten dieser Kommunikationsmodi:

• Nur Senden: Das Gerät ist in der Lage, Daten ausschließlich in Richtung des Zigbee-Netzwerks zu übertragen.

  Der energieeffiziente Modus: In diesem Modus wird darauf geachtet, die Energie während der Kommunikation sparsam einzusetzen.

• Durch die bidirektionale Funktionalität des Geräts werden Informationen sowohl gesendet als auch empfangen, darunter auch Sicherheitsmaterial.

  Der energieintensive Modus: Im Gegensatz dazu kann es Situationen geben, in denen mehr Energie für die Kommunikation zur Verfügung steht, und es ist möglich, ausführlichere und detailliertere Informationen zu verwenden.

Die bidirektionale Modusimplementierung nutzt den EM2-Leistungsmodus sowie den Low-Energy-Sleep-Timer als Aufwachquelle, um zwischen Senden und Empfangen zu wechseln.

Inbetriebnahme und Sicherheit

Dank der Hardwarebeschleunigung im EFR32xG22 ist es möglich, ein GPD mit höchster Sicherheit zu implementieren, einschließlich Verschlüsselung und Nachrichtenintegrität mit Application Key Exchange, für eine sichere bidirektionale Kommunikation.

Lagerung von Sicherheitsmaterial

In einer GPD-Implementierung mit Batterieunterstützung kann der Backup-RAM im EM4-Ruhezustand das Sicherheitsmaterial aufrechterhalten.