Energiagyűjéssel táplált vezetékmentes szenzorhálózat- csomópontok
A vezetékmentes szenzorhálózati csomópontok energiagyűjtéssel történő táplálása nem szükségképpen bonyolult vagy költséges. Gondosan megválasztott kommunikációs protokoll és adatsebesség, a korszerű RF-kommunikációs eszközök energiatakarékos üzemmódjai – ez minden, amire a vezetékmentes szenzorok teljesítményfelvételének csökkentéséhez szükségünk van. Az eredmény egy olyan vezetékmentes szenzorhálózat, amely majdnem tetszőleges ideig működtethető kevés – vagy semennyi – emberi beavakozással.
Azok az egyszerű energiagyűjtési[1] módszerek, amelyeket ebben a cikkben bemutatunk, jól használhatók arra, hogy a segítségükkel karbantartást gyakorlatilag nem igénylő, költségtakarékos hálózatokat valósítsunk meg az „okos” otthonokban, az épületautomatizálásban és a gépek közötti (Machine to Machine – M2M) kommunikációban.
Amikor egy vezetékmentes hálózat költségeit számítjuk ki, az első helyen rendszerint a hardverköltség áll. Emellett azonban vannak ezenkívül is költségtényező, amelyeket figyelembe kell vennünk: járulékos hardver- és szoftverköltségek, szabványoknak (pl. ZigBee és Bluetooth) való megfelelést igazoló tanúsítványok és jogdíjak.
Energiaellátás
Annak az energiának a mennyiségét, amelyet egy vezetékmentes szenzor működtetéséhez össze tudunk gyűjteni, jellemzően a méret és az ár korlátozza. Ezért nagyon lényeges. hogy a szenzor és a vezetékmentes adóvevő összes energiafogyasztása kisebb legyen, mint amennyit energiagyűjtéssel elő tudunk teremteni.
Jó néhány energiaforrás létezik, amely az energiagyűjtésbe bevonható. Ezek közül a legismertebb a napfény energiájának hasznosítása fényelemekkel. A napelemek mérete a nagyméretű, számos cella egybeépítésével készült panelektől a kisméretű, egycellás megoldásokig terjed, amelyekkel például zsebszámológépeket vagy játékszereket működtetnek.
Más „gyűjthető” energiaforrásnak tekinthetők például a rádióhullámok, amelyeket egy antennával felfoghatunk, és elektromos energiává alakíthatunk át, vagy a rezgő testek mechanikai energiája, amellyel egy mágnest mozgatunk egy indukciós tekercs közelében. A hőmérséklet-különbségeket is hasznosíthatjuk termoelektromos energiagyűjtésre például a Seebeck-hatás[2] felhasználásával.
A kompatibilitás kérdése
Ha egy energiagyűjtéssel táplált rendszer tervezésekor egy vezetékmentes protokollt akarunk kiválasztani, először olyan közismertek jutnak eszünkbe, mint a ZigBee vagy a Bluetooth. Viszont nem minden specifikáció megvalósítása képes elviselni valamelyik ipari szabványú vezetékmentes protokoll költségeit és/vagy bonyolultságát. A protokoll kiválasztása során meg kell fontolni, milyen fokú kompatibilitást várunk el a megvalósítani kívánt rendszertől. Például egy mobiltelefon vezetékmentes beszélőkészlete majdnem biztosan megköveteli a széles körű kompatibilitást, még akkor is, ha egy egyszerű RF-kommunikáció árban és bonyolultságban is kevésbé lenne igényes. A kompatibilitásra itt azért van szükség, hogy más gyártók termékeivel is együttműködhessen a készülék.
A tanúsítvány költsége
Bármilyen műszaki megoldáshoz, amely vezetékmentes szenzort tartalmaz, FCC- vagy CE-tanúsítvány megszerzése szükséges. Ez a költség tehát bármilyen tervezési feladatnál felmerül. Ha viszont egy bizonyos szabványnak való megfelelőséget kell tanúsítani, az általában költségesebb, mint a legszükségesebb FCC- vagy CE-tanúsítványé. Ennek a költségeit gyakran alultervezik.
Egy adott vezetékmentes szabványt kielégítő terv megvalósítási költségei rendszerint messze meghaladják a hardver- és szoftverköltségek összegét. Mielőtt ugyanis egy megvalósított készüléket hivatalos megfelelőségi eljárás alá vetnénk, valószínűleg „házon belüli” előzetes megfelelőségi vizsgálatokat kell végezni. Az ehhez szükséges speciális berendezések havi bérleti díja akár a 750 USD-t is elérheti. Ehhez adódik hozzá a választott szabványnak való megfelelés hivatalos tanúsítási eljárásának költsége, amely a szorosan vett megfelelőségi vizsgálat és profilvizsgálat, valamint a megfelelő hardver vizsgálóeszközök igénybevételi költségeiből tevődik össze.
Mindezt összesítve például egy ZigBee-szabványú készülék tanúsítása 3000 USD körüli költséget jelent. Ehhez még hozzáadódhat a protokollt gondozó érdekszövetség éves tagdíja és a csipenként fizetendő jogdíj.
A tanúsítás egy gyártott végtermékre vonatkoztatott tanúsítási költsége a gyártott mennyiségtől is függ. Vegyünk példának egy olyan készüléket, amelynek hardverköltsége 1 és 1,5 USD közé esik 10 000 db-os széria esetén. Ilyenkor egy 10 000 USD-nyi összköltségű FCC-tanúsítvány megkétszerezi az eszköz egy darabjának költségét. Ha ehhez még hozzáadjuk az RF-szabványnak való megfelelés tanúsítványának és az ehhez szükséges előzetes vizsgálatoknak a költségeit, a tanúsítás költségei messze meghaladhatják a 10 000 USD-t.
A teljesítményfelvétel optimalizálása
A teljesítményfelvétel hatékony „kézben tartása” kritikus fontosságú az olyan vezetékmentes szenzorhálózati csomópontok tervezésénél, amelyek tápellátását energiagyűjtéssel kívánjuk megoldani. Ez minden tervezési lépésre közvetlen hatással van. Különösen az RF-adásrend kidolgozása igényel speciális megfontolásokat annak érdekében, hogy kiküszöböljünk minden felesleges, nagy energiaigényű műveletet. Ezt olyan paraméterek is befolyásolják, mint a moduláció módja, az adatátviteli sebesség és az antennát tápláló RF-teljesítmény. Általános „ökölszabályként” minél rövidebbek az aktív működési periódusok (a teljes üzemidőhöz viszonyítva – a szerk. megj.), annál kisebb az átlagfogyasztás. Ennek érdekében a készülékben használt összes alkatrésznek (a ledektől a mikrovezérlőn át az adóegységig) a lehető legtöbb időt kell kis fogyasztású üzemmódban töltenie.
A teljesítményfelvétel és az adatsebesség összefüggése
Ha nagyobb adatsebességet használunk adatátvitelre, az nagyobb energiafelhasználással jár. Létezik azonban egy ellentétes hatás is, amely szerint az adatcsomagok átküldésének időigénye nagyobb adatsebességnél csökken – a kettő között tehát kompromisszumot kell találni. A modulációs mód ugyancsak fontos szerepet játszik az energiafogyasztásban. Az ASK (Amplitude Shift Keying – digitális amplitúdómoduláció) és az OOK (a hordozójel ki- és bekapcsolásával járó „On-Off Keying”) energiaigénye aránylag kisebb, mivel az ASK-nál az adásidő idő egy részében csökkentett, az OOK-modulációnál pedig zérus a teljesítményigény. Ennek ellenére a gyakorlatban mégis az FSK (Frequency Shift Keying – digitális frekvenciamoduláció) a leginkább elterjedt, mivel nagyobb adatsebességet lehet vele megvalósítani.
Ha csak egyszerű, egyirányú kommunikációt kívánunk megvalósítani, igen egyszerű felépítésű RF-adót használhatunk. Ha viszont célunk valamilyen szabványos vezetékmentes hálózati protokoll (például az IEEE802.15.4) megvalósítása, inkább céleszközként megvalósított, speciális vezérlőt érdemes választanunk. A Microchip PIC12LF1840T48A mikrovezérlő például integrált adóegységet tartalmaz, amely OOK-modulációval 10 kbit/s, FSK-modulációval pedig 100 kbit/s adatsebességű átvitelre alkalmas. Az FSK-val tehát tízszer gyorsabban kommunikálhatunk, mint az OOK-val. Az RF-vevők is sokkal hatékonyabban detektálják az ASK-nál gyorsabb FSK-moulációt.
Az energiafogyasztás kezelése
A mikrovezérlők kis fogyasztású, „leállított” üzemmódjai ugyancsak használhatók az energiafogyasztás csökkentésére. Az a gyakoriság, amivel a szenzornak adatokat kell küldenie, az adott alkalmazás válaszidejétől függ. Az aktív periódusok közötti idő elnyújtása azt eredményezi, hogy a vezérlő aránylag több időt tölt kis fogyasztású üzemmódban, tehát csökkenti az átlagos energiafogyasztást.
Az áramfogyasztás attól is függ, milyen típusú adatokat gyűjt a szenzor két adási periódus között. Ha az adat például egy hídkapcsolású erőmérőcella műveleti erősítővel felépített elektronikájából származik, az – energiában számítva – még az RF-adás alatti energiafogyasztáshoz képest is „sokba kerül”.
Az energiafogyasztás számítása
Egy Microchip PIC12LF1840T48A mikrovezérlőre épülő mintaáramkör energiafogyasztását mutatja a következő példa. A PIC12LF1840T48A beépített adóvevőjének maximális frekvenciaeltérése (lökete) 200 kHz, ami 100 kbit/s-os maximális bitfrekvenciájú adattovábbítást tesz lehetővé. Ha aránylag kis adatcsomagokat használunk, amelyek 16 bevezető (preamble) bitből, egy 16 bites szinkronizáló bitmintából és 32 bitnyi hasznos adattartalomból (payload), tehát összesen 64 bitből állnak, ennek átviteléhez 100 kbit/s adatsebességet feltételezve 640 μs idő szükséges. Ha az energiát Joule-ban mérjük (1 J = 1 Ws = 1 VAs), és a tápfeszültség 3 V, az egy adatcsomag átviteléhez szükséges E energiát a kristályoszcillátornak az adás előtti felfuttatása, az adatcsomag átvitele és az átvitel befejeződése utáni késleltetés alatt felvett energia összegeként számíthatjuk ki.
A kristályoszcillátor beindulási ideje tipikusan 650 μs, miközben a vezérlő 5 mA-t fogyaszt. Az indulás alatt elfogyasztott E1 energia tehát
E1 = 3 V×5 mA×650 μs = 9,75 µJ.
A fentiekben már kiszámítottuk a feltételezett 64 bites adatcsomag átviteli idejét 100 kbit/s bitfrekvenciával. Ez 640 μs. Az RF-átvitel áramigénye +0 dB-es teljesítményszinttel, 868 MHz hordozófrekvenciával és FSK-modulációval számolva 12 mA. Ebből az egy adatcsomag átviteléhez szükséges E2 energia
E2 = 3 V×12 mA×640 μs = 23,04 µJ.
(Megjegyzés: Az összehasonlítás kedvéért vizsgáljuk meg egy 10 kbit/s-os bitfrekvenciájú, egyszerű átvitel adási energiaigényét, amely során csupán 7,5 mA áramot vesz fel a vezérlő. Az időtartam viszont az előbbi tízszerese, 6,4 ms. Ebből
E2 = 3 V×7,5 mA×6,40 ms = 144 µJ
adódna, tehát a lassúbb adatsebességgel járó kisebb áramfelvétel kedvező hatását lerontja a hosszabb adásidő; a nagyobb bitfrekvencia alkalmazása láthatóan előnyös.)
A PIC12LF1840T48A mikrovezérlő adója az utolsó adatbit észlelése után (legalább 2 ms késleltetéssel) automatikusan visszatér a kis fogyasztású, leállított állapotba. Az ebből adódó E3 járulékos energiafogyasztás
E3 = 3 V×12 mA×2 ms = 72 µJ.
Ezekből a részszámításokból kiadódik az egyetlen csomag adására vonatkoztatott energiafogyasztás:
E = E1 + E2 + E3 = (9,75 + 23,04 + 72) µJ = 104,79 µJ.
Tekintsünk az energiagyűjtés eszközének egy miniatűr napelemet, amely 4,5 μA áramot állít elő 3 V-os feszültséggel, amelynek minden adatátviteli periódusban legalább 8 másodpercig kellene aktívnak lenni, hogy az egyetlen adatcsomag átviteléhez az előbbiekben kiszámított E energiát összegyűjthesse. Egy reálisabb csomagküldési gyakorisághoz számoljunk inkább egy kissé nagyobb teljesítményű, de még elfogadható árú napelem lehetőségeivel, amely a legjobb működési feltételek között 3 V-os feszültséggel 40 μA-t, azaz 3 V×40 μA =120 μW teljesítményt állít elő. Számítsuk ebből ki, mennyi idő alatt gyűjt ez a napelem össze annyi energiát (104,79 μJ-t), amennyivel egy adatcsomagot továbbítani lehet:
T = 104,79 μJ / 120 μW =0,87 s.
Ez azt mutatja, hogy a szenzornak legalább 0,87 másodpercet kell várnia két egymást követő adatátvitel között (feltéve, hogy a napelem állandó megvilágítást kap). A valóságban a legtöbbet alkalmazott fényforrás a természetes nappali fény, a Földünket érő energia elsődleges forrása. Ez azonban csak nappal érhető el. A számításunkat tehát ki kell terjesztenünk annak figyelembevételével, hogy az energiagyűjtő rendszernek annyi nappal gyűjtött energiát kell tárolnia, amennyivel az éjszakai működési ciklusok energiaigényét fedezni lehet. Egy további faktor, amire a szükséges energia számításánál ugyancsak figyelemmel kell lenni, az magának a szenzorelektronikának a működtetéséhez szükséges energia. Ezzel azonban – mivel ez az adat a különféle szenzorok esetén jelentősen különböző is lehet – példánkban nem foglalkoztunk.
Az energia tárolása
Nagyon kevés olyan alkalmazás létezik, ahol az energiagyűjtésnek állandó az energiaforrása, ahol tehát energiatárolás nélkül is működhet a szenzorunk. Számos lehetőség van arra, hogyan tároljuk a napfényes órák alatt gyűjtött energiát. A napelem által gyűjtött energia tárolóelemeként használhatunk például szuperkondenzátort, esetleg csepptöltéses üzemmódban használt, olcsó NiMH-akkumulátorokat is.
Mikor érdemes mérlegelni az energiagyűjtés alkalmazását?
A kis teljesítményfelvételű, vezetékmentes szenzorhálózati csomópontok energiagyűjtéssel történő tápellátásának nem az egységár azonnali csökkenése a fő célja. A ráfordítások sokkal inkább hosszú távon, a karbantartási költségek csökkenése révén térülnek meg. Ezek a költségek akár igen jelentősek is lehetnek, ha a hálózati csomópontok távoli, nehezen elérhető helyen vannak telepítve, vagy olyan hálózatoknál, amelyek nagyszámú csomópontból állnak. Ezekben az esetekben rendkívüli költségmegtakarítást eredményez, hogy a vezetékmentes szenzorok lényegében tetszőleges ideig működtethetők emberi beavatkozás nélkül.
Az energiagyűjtés út a vezetékmentes szenzorcsomópontok tápellátásának egyre reálisabb alternatívájához, különösen akkor, ha a hálózat nem valamilyen szabványos protokollal (például ZigBee-vel vagy WiFi-vel) kommunikál. Az energiagyűjtés egyre változatosabb forrásainak kiaknázására jelennek meg módszerek: a fényen kívül a hőmérséklet-különbség, a rádióhullámok, a mechanikai energia, sőt – mint arra néhány újabb keletű biológiai szenzornál láthatjuk – akár a vércukor kémiai energiája is hasznosítható a szenzor energiaellátására.
A vezetékmentes szenzorhálózati csomópontok energiagyűjtéssel történő táplálása sikeresen csak akkor valósítható meg, ha a vezetékmentes szenzor teljes üzemideje alatti energiaigényét gondosan számításba vesszük. Jelentős hatással van az energiaigényre a legmegfelelőbb kommunikációs protokoll, adatsebesség és modulációs mód kiválasztása, továbbá az alkalmazott vezérlők és RF-egységek (vagy olyan egybeintegrált változatuk, mint a Microchip PIC12LF1840T48A mikrovezérlő) energiatakarékos üzemmódjainak helyes alkalmazása.
(Megjegyzés: A Microchip név és logo, valamint a PIC a Microchip Technology Inc. bejegyzett védjegyei az USA-ban és más országokban. Minden más itt említett védjegy a megfelelő cég tulajdona).
Szerző: Cristian Toma – Microchip Technology Inc.
[1]Az angol szakirodalomban elterjedt „energy harvesting” kifejezésnek még nincs széles körben elterjedt és elfogadott magyar fordítása. A cikkben ezt az „energiagyűjtés” szóval fordítjuk, amelynek jelentése a körülöttünk mindenütt jelenlevő, általában „hulladéknak” vagy „ipari méretekben” ki nem használhatónak minősített energia (hő, fény, vibráció, légáramlat stb.) hasznosítása, általában azzal a céllal, hogy valamilyen kis teljesítményfelvételű elektronikus eszközhöz ne kelljen kábelezést vagy teleptáplálást megvalósítani. – A ford. megj.
[2]Más néven termoelektromos jelenség: két különböző fémet egyesítve és a csatlakozási pontokat különböző hőmérsékletű térbe helyezve a nyitott körben villamos feszültséget, a zárt körben áramot mérhetünk. A termofeszültség a két fém termoelektromos potenciáljának (amely anyagállandó) különbségétől és a csatlakozási pontok hőmérséklet-különbségétől függ. – A szerk. megj.
Még több Microchip
Címkék: vezetékmentes | wireless | szenzor | MCU | ZigBee | Bluetooth
