Zasilanie energią wolnodostępną modułów komunikacji bezprzewodowej w IoT

Tabela. Protokoły komunikacyjne, które można wykorzystać przy zasilaniu energią wolnodostępną

Na drodze możliwości pogodzenia takich wymagań w jednym produkcie stoi efektywne zasilanie. Nawet małe ogniwa guzikowe takie jak CR2032 i podobne są często zbyt duże. Co więcej, konieczność wymiany ogniw przeszkadza w wielu aplikacjach, gdzie węzły sieci IoT są instalowane w niedostępnych miejscach i wymiana zużytej baterii wiąże się z problemami i kosztami.

W takich sytuacjach rozwiązaniem może być zasilanie węzłów IoT energią wolnodostępną (słoneczną termiczną lub za pomocą drgań mechanicznych). Nawet jeśli wydajność generatora nie będzie wystarczająca, aby stanowił on jedyne zasilanie, to w każdym przypadku użycie zasilacza wykorzystującego energy harvesting jest w stanie istotnie przedłużyć czas działania bez wymiany ogniwa.

W tabeli pokazano różne standardy komunikacji bezprzewodowej oraz rozwiązania własnościowe firm, które nadają się do wykorzystana w takich aplikacjach. Część z nich, jak protokoły firmy EnOcean, zostały wręcz napisane wyłącznie pod kątem pracy w odbiornikach zasilanych energią wolnodostępną, z kolei Z-Wave, ZigBee i Wireless HART to niskomocowe rozszerzenia istniejących protokołów przemysłowych.

Kontroler

Rys. 1. Moduł komunikacji bezprzewodowej może być zasilany w wielu aplikacjach tylko ze źródła energii wolnodostępnej, co znakomicie zmniejsza koszty eksploatacji i serwisu

System zasilania wymaga także użycia wysoko sprawnego konwertera, który przekształci energię ze słabego źródła w stabilizowane napięcie zdatne do zasilania mikrokontrolera i transceivera. Przykładem takiego rozwiązania może być MB39C811 firmy Cypress Semiconductor, który pełni funkcję wysokosprawnej przetwornicy DC-DC oraz zawiera wbudowany w strukturę mostek prostowniczy zdolny do współpracy z piezoelektrycznym generatorem o wysokiej impedancji wewnętrznej lub ogniwem solarnym.

Parametry napięcia wyjściowego można ustawić na jeden z 8 predefiniowanych zestawów napięć: 1,5, 1,8, 2,5, 3,3, 3,6, 4,1, 4,5 i 5 V, z maksymalnym prądem wyjściowym do 100 mA. Zakres dopuszczalnych napięć wejściowych wynosi od 2,6 do 23 V, a pobór prądu przez układ bez obciążenia to jedynie 1,5 µA.

Układ ma komplet obwodów zabezpieczających przed zbyt niskim i zbyt wysokim napięciem wejściowym, zwarciem wyjścia i przeciążeniem. Osobna linia wyjściowa sygnalizuje prawidłową wartość napięcia, co pozwala wykorzystać ją do restartowania systemu.

Na rysunku 2 pokazano blokowy schemat wewnętrzny układu. Jak widać, do pracy wymaga on dołączenia jedynie paru elementów pasywnych i dławika. Z kolei na rysunku 3 pokazano schemat aplikacyjny kontrolera MB39C811 ze źródłem energii, jakim jest kwarcowy przetwornik drgań wykorzystujący efekt piezoelektryczny.

Rys. 2. MB39C811 firmy Cypress Semiconductor to specjalizowany kontroler przetwarzający energię wolnodostępną w stabilizowane napięcie zasilające niezbędne do pracy aplikacji

W zdecydowanej większości na wyjściu takiego konwertera montowany jest superkondensator, po to, aby możliwe było zapewnienie przez chwilę energii wystarczająco dużej do zasilenia nadajnika. Niemniej nie zwalnia to konstruktora z uważnego wyboru modułu komunikacyjnego pod kątem nie tylko pobieranej mocy, ale właśnie wartości szczytowej w stanie aktywnym i w czasie głębokiego uśpienia. Obie wartości należy rozpatrywać w połączeniu z czasem, kiedy układ pracuje, bo jak wiadomo, ładunek zgromadzony w superkondensatorze wiąże ze sobą napięcie i czas.

Przykładowy moduł komunikacyjny potrzebuje 1,1 ms na dokonanie transmisji przy taktowaniu zegarem 12 MHz i pobiera wówczas 4 mA. Okazuje się, że jest to lepszy wynik od analogicznego funkcjonalnie rozwiązania, gdzie blok cyfrowy taktowany jest zegarem 48 MHz, bo czas pracy w stanie aktywnym i pobór prądu przez nadajnik rozpatrywane jako iloczyn są większe na skutek istnienia stanów przejściowych, w których ustalane są warunki komunikacji, a obwody cyfrowe są wybudzane ze stanu uśpienia.

Dokładniejsze analizy pokazują, że czas uruchamiania bloków cyfrowych, ustalania się parametrów transmisji radiowej, konfigurowania obwodów peryferyjnych, stabilizacji sygnałów zegarowych i synchronizacja pętli syntezy częstotliwości generatorów zegarowych zajmuje sporo czasu w stanie aktywnym, gdy odnieść to do samej komunikacji radiowej. Dlatego wybór konkretnego modułu i protokołu jest bardzo ważny i jest w stanie całkowicie zmienić bilans energetyczny aplikacji.

Przykładowe moduły komunikacyjne

Rys. 3. Przykładowa aplikacja MB39C811dla źródła piezoelektrycznego i solarnego

Kolejnym aspektem jest konstrukcja modułu komunikacyjnego, która może zawierać procesor aplikacyjny lub nie. Opcja z wbudowanym mikrokontrolerem i pamięcią dla aplikacji użytkownika upraszcza konstrukcję układową aplikacji, niemniej z punktu widzenia bilansu energetycznego takie podejście do układu jest wielką niewiadomą.

Bo to, czy ten mikrokontroler w korzystny sposób zarządza peryferiami i jest w stanie usypiać ich działanie automatycznie, a także dokonywać szybkiego wybudzenia, jest tu kluczowe. W praktyce oznacza to drobiazgowe przekopywanie się przez szczegółową dokumentację techniczną, kierowanie pytań do producenta, wykorzystanie specjalizowanego oprogramowania lub, co jest chyba najbardziej wiarygodną metodą, dokonanie pomiarów w układzie prototypowym.

Z pewnością energia dostarczana przez źródła wolnodostępne jest na tyle niewielka, że liczą się wszystkie szczegóły i z tego powodu proces projektowania nie jest jednoznaczny ani prosty. Sporo oszczędności można osiągnąć także, odpowiednio przygotowując oprogramowanie komunikacyjne, np. poprzez podział procedur komunikacyjnych na mniejsze fragmenty tak, aby jeden silny impulsowy pobór prądu rozbić na kilka słabszych impulsów, co zmniejsza spadki napięć i poprawia sprawność wykorzystania energii ze źródła.

Pozwala to też na niewielkie doładowanie pojemności gromadzącej energię w czasie pomiędzy poszczególnymi częściami cyklu. Za pomocą oprogramowania można też efektywnie zarządzać zasobami mikrokontrolera takimi, jak timery lub watchdog.

Na rysunku 3 pokazano przykładową aplikację zasilania z wykorzystaniem ogniwa solarnego. Można jej użyć do współpracy z modułem takim, jak XBee i XBee-PRO firmy Digi wykorzystującym protokół ZigBee.

Z kolei moduły bazujące na układach SoC firmy Silicon Labs z rodziny Ember EM35x (EM357 i EM3587) to jednostki bazujące na procesorze 32-bitowym Cortex-M3. EM3587 ma więcej pamięci i pozwala na upgrade do Thread - stosu sieciowego bazującego na IPv6. Jest to wygodna opcja, ale niestety zwiększa pobór prądu.

Podłączenie modułu jest banalnie proste - wymaga on oczywiście zasilania oraz masy i poza tym ma dwie linie IO (Dout i Din), które mogą być wykorzystane do komunikacji a także do podłączenia sensora lub elementu wykonawczego plus linie interfejsu szeregowego do programowania i aktualizacji oprogramowania.

Gdy priorytetem w zakresie komunikacji jest Bluetooth, w opisywanych zastosowaniach można wykorzystać moduł Bluetooth Low Energy CYBLE-022001-00 firmy Cypress Semiconductor. Pozwala on na budowę węzła sieci bezprzewodowej i zawiera wiele użytecznych bloków peryferyjnych takich, jak przetwornik A/C, timery i liczniki, generatory PWM oraz interfejsy szeregowe I²C, UART, SPI.

Pozwala to w większości przypadków zbudować całą aplikację z wykorzystaniem programowalnej architektury i zasobów sprzętowych modułu. Co więcej, na zewnętrznych pinach jest dostępnych 16 linii GPIO. Warto dodać, że moduł CYBLE-022001-00 zawiera wbudowany stos BLE kompatybilny z Bluetooth 4.1 bez konieczności wnoszenia opłat licencyjnych, a niewielka obudowa o wymiarach 10×10×1,8 mm pozwala na łatwą integrację w aplikacji.

Moduł Cyble ma rozdzielone linie zasilania. Jedno o wartości 1,7-5,5 V jest niezbędne do zasilania bloków cyfrowych i obwodów analogowych, drugie napięcie (1,9-5,5 V) jest wymagane do zasilania nadajnika radiowego. Warto zauważyć, że praca modułu może się odbywać w szerokim zakresie napięć, co ułatwia zasilanie energią wolnodostępną. Dopuszczalne napięcie tętnień też jest spore, aż 100 mV.

Digi-Key Electronics Germany
www.digikey.pl