Implementacja koncepcji energy harvesting w systemach embedded

Podstawowym celem podczas projektowana układu energy harvesting jest zapewnienie urządzeniu zdolności do ciągłej pracy. Urządzenie tego typu zilustrować można za pomocą modelu idealnego wahadła, pozostającego ciągle w ruchu, bez konieczności dostarczania energii z zewnątrz.

Krytycznym aspektem projektowania takiego systemu jest odpowiednie zarządzanie dostępną energią. W tym celu należy określić potrzeby urządzenia, a także dostępne zdolności magazynowania. Przykład tego typu obliczeń przedstawiono na rysunku 1. Pokazuje on diagram zapotrzebowania na energię hipotetycznego urządzenia korzystającego z energii słonecznej. Przyjęto, że przedstawiony układ zbierania energii zdolny jest do dostarczenia prądu zasilania 50 μA w przypadku dostępności światła słonecznego. Średni pobór prądu zasilania przez system to 10 μA. W ciągu dnia urządzenie dysponuje zatem nadwyżką prądu o wartości 40 μA, co może zostać wykorzystane do ładowania magazynu energii. Magazyn ten rozładowywany jest w nocy prądem o średniej wartości 10 μA. Na podstawie przedstawionych wyliczeń wiadomo, że do ciągłej pracy urządzenia konieczna jest obecność światła słonecznego przez niemal 5 h dziennie.

 

Rys. 1. Przykład obliczenia minimalnego wymaganego do ciągłej pracy układu czasu oświetlenia światłem słonecznym

Przykład ten pokazuje jeden z podstawowych problemów, z którymi zmierzyć się muszą projektanci urządzeń korzystających z koncepcji energy harvesting. Ilość energii zbieranej z otoczenia musi być wystarczająca do zaspokojenia potrzeb układu. Uwzględnić przy tym należy dodatkowe czynniki, takie jak ograniczona pojemność magazynu energii, straty magazynowania oraz zmiany starzeniowe.

Kolejnym ważnym aspektem jest minimalizacja zużycia energii przez urządzenia. Do osiągnięcia tego konieczne jest połączenie zabiegów sprzętowych, czyli dobór odpowiednio energooszczędnych komponentów oraz programowych, poprzez wyłączenie nieużywanych zasobów systemu oraz korzystanie z trybów niskiego poboru mocy procesora.

Dwie klasy systemów

Istnieją dwie podstawowe klasy systemów korzystających z energii dostępnej w otoczeniu, różniące się sposobem jej magazynowania. Pierwszy rodzaj zdolny jest do gromadzenia energii przez dłuższy okres, korzystając z magazynów charakteryzujących się niskim poziomem strat i stosunkowo dużą pojemnością, takich jak litowe ogniwa cienkowarstwowe. Ciągła praca osiągana jest poprzez osiągnięcie równowagi pomiędzy okresami ładowania i rozładowania, tak jak przedstawiono to uprzednio na rysunku 1. Taka koncepcja systemu jest bardzo elastyczna, pozwalając na użycie nawet energochłonnych układów przez krótkie okresy. Tego typu systemy spędzają znakomitą większą czasu swojej pracy w stanie głębokiego uśpienia, wybudzając się w reakcji na bodźce zewnętrzne lub w celu wykonania określonego zadania.

Drugi rodzaj systemów pozostaje przez większość czasu w stanie wyłączonego zasilania. Po otrzymaniu porcji energii włącza się, wykonuje swoje zadanie, w oparciu o dostępne zasoby oraz ponownie przechodzi do stanu wyłączenia. Tego typu urządzenia używają magazynów charakteryzujących się szybkim czasem ładowania i rozładowania, takich jak kondensatory oraz superkondensatory. Ciągła praca realizowana jest poprzez balansowanie pomiędzy ilością energii zgromadzoną w krótkim okresie, najczęściej w wyniku zdarzenia wyzwalającego działanie układu, a energią niezbędną do realizacji zadania. Przykładem tego typu urządzenia może być bezprzewodowy przełącznik światła, korzystający z energii generowanej przez drgania mechanicznego przełącznika do transmisji sygnału radiowego.

Restart po włączeniu systemu

Jednym z problemów do rozwiązania podczas projektowania urządzenia korzystającego z koncepcji energy harvesting jest poradzenie sobie z procedurą uruchomienia systemu po jego uprzednim wyłączeniu. Zdolność przetrwania restartu, mogącego wynikać m.in. ze sporadycznych spadków napięcia zasilania, jest kluczowa do uzyskania długoterminowej niezawodności urządzenia.

Większość systemów wbudowanych wymaga odpowiedniego przechowywania i transportu, zanim trafi w ręce użytkownika końcowego i zostanie przez niego uruchomione. W czasie tych czynności układy te zazwyczaj nie są w stanie gromadzić energii pozwalającej na podtrzymanie ich pracy. Gdyby były zatem włączone, doprowadziłoby to szybko do wyczerpania całych zapasów zmagazynowanej energii, prowadząc potencjalnie do uszkodzenia elementów magazynujących, takich jak np. akumulatory.

Rozwiązaniem tego problemu jest utworzenie "trybu przechowywania" – stanu, w którym element magazynujący energię odłączony jest od reszty systemu aż do momentu jego uruchomienia. Posłużyć może do tego obwód bocznikowy, mogący być elementem układu sterowania pracą akumulatorów.

Większość systemów wbudowanych podczas procedury uruchomienia zużywa znacznie więcej energii niż w przypadku późniejszej, normalnej pracy. Układ zbierania energii nie jest zazwyczaj zdolny do zapewnienia odpowiedniego poziomu dopływu energii pozwalającego zabezpieczyć proces uruchomienia. Często konieczne jest zatem opóźnienie momentu startu do czasu zebrania odpowiednich zasobów energii w magazynie. Przykład obwodu zasilania realizującego te funkcje przedstawiono na rysunku 2.

 

Rys. 2. Przykładowy obwód zasilania systemu korzystającego z koncepcji energy harvesting

W przypadku odłączenia zasilania magazyn energii pozostaje odseparowany od reszty systemu przez obwód zabezpieczający akumulatory. Zbierana energia ładuje kondensator, który zostanie następnie wykorzystany do dostarczenia energii podczas procedury uruchomienia. Monitor napięcia zasilania oraz regulator napięcia bramkują zasilanie systemu, pozwalając na start dopiero w momencie uzyskania odpowiedniego poziomu naładowania kondensatora, sygnalizowanej przez określoną wartość napięcia na jego okładkach. Po osiągnięciu tej wartości start systemu jest dodatkowo opóźniany przez programowalny układ opóźniający. Po uruchomieniu system przechodzi do trybu niskiego poboru energii. Po wykryciu odpowiedniej wartości napięcia na kondensatorze obwód ochronny baterii podłącza magazyn energii do reszty systemu, pozwalając na jego dalszą nieprzerwaną pracę.

Wydłużanie czasu życia układów

Nawet najlepszy układ ma określoną żywotność, po upływie której zatrzyma swoją pracę. Zdarzenie to może być wywołane przez jedną lub kilka z wielu potencjalnych przyczyn. Do najistotniejszych zaliczyć można starzenie się komponentów i związany z tym spadek wydajności zbierania energii z otoczenia, a także obniżenie pojemności magazynu energii. Świadomość tych zagrożeń pozwala na wprowadzenie lepszych środków zaradczych na etapie projektowania systemu, w efekcie zaś na wydłużenie czasu życia układu.

Dla ochrony akumulatorów niezwykle istotne jest zapewnienie im odpowiednich warunków pracy, m.in. poprzez unikanie nadmiernego rozładowania. Jedna z popularnych technik polega na połączeniu równolegle z akumulatorami kondensatora odprzęgającego, pozwalającego na eliminację krótkookresowych fluktuacji prądu ładowania.

Większość układów jest również wrażliwa na uszkodzenia mechaniczne, wskazane jest zatem zapewnienie im odpowiedniej obudowy ochronnej, zabezpieczającej przed szkodliwym wpływem otoczenia. Niezwykle cenne jest też oczywiście przeprowadzenie intensywnych testów układu, co pozwoli wykryć i wyeliminować wiele potencjalnych błędów programowych i sprzętowych jeszcze przed etapem produkcji.

Wybór akumulatorów

Konwencjonalne akumulatory, takie jak ogniwa litowe typu AA, wykorzystywane były w systemach embedded na przestrzeni lat. W ostatnim czasie na rynku pojawiła się nowa alternatywa – ogniwa cienkowarstwowe. Wybór odpowiedniego magazynu energii oznacza dla projektantów konieczność szukania kompromisu pomiędzy rozmiarem, kosztem a bezpieczeństwem. Z punktu widzenia ceny najatrakcyjniejszym rozwiązaniem wydają się być niewielkie ogniwa guzikowe. Z ich wykorzystaniem wiążą się jednak ukryte koszty wynikającego z krótkiego czasu życia i w konsekwencji częstej wymiany komponentu. Jeśli uwzględni się fakt, że ogniwo cienkowarstwowe ma około trzydziestokrotnie dłuższy czas życia niż ogniwo typu CR2032, początkowy wyższy koszt zakupu okaże się szybko całkiem opłacalną inwestycją.

Ogniwa cienkowarstwowe charakteryzują się także najlepszą pojemnością oraz niewielkimi rozmiarami (grubość poniżej 1 mm). Nie wywołują również zagrożenia dla bezpieczeństwa systemu, ponieważ zawarta w nich niewielka ilość litu nie powoduje ryzyka wybuchu ani pożaru.

Podsumowanie

Technologia energy harvesting zdobyła już sporą popularność, zaś w kolejnych latach przewiduje się dalsze jej upowszechnienie. Właściwie zaprojektowane systemy wbudowane dzięki pobieraniu energii z otoczenia są w stanie nieprzerwanie wykonywać swoje funkcje przez kilkadziesiąt lat. Konstrukcja tego typu systemu wymaga jednak rozwiązania szczególnych problemów, związanych przede wszystkim z zarządzaniem oraz przetwarzaniem zgromadzonej energii, a także z jej efektywnym i małostratnym magazynowaniem.

Damian Tomaszewski