reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© janaka dharmasena dreamstime.com_technical Technologie | 13 lutego 2018

Energia w IoT i elektronice noszonej

Małe aplikacje są w modzie, zarówno jeśli chodzi o IoT jak i elektronikę noszoną. Skąd jednak brać energię na to, by mogły długo pracować? Pokażemy państwu, że da się to osiągnąć, korzystać z obecnych technologii i rozwiązań.
IoT to urządzenia często małe: pojedyncze sensory połączone w sieć z jednostkami centralnymi, które odpowiadają za odbiór danych, ich przetwarzanie, wykonywanie działań, itp. Mimo, że urządzenia IoT wydają się niewielkie, to szacuje się, że generują one ruch na poziomie setek zetabajtów (trylion gigabajtów) rocznie. Liczby te nie będą maleć, a rosnąć.

Do 2020 roku może być tego nawet 5-razy więcej. Do generowania tak dużej ilości danych nie potrzeba o dziwo dużej ilości energii. Same sensory potrafią mieć gabaryty pojedynczych milimetrów i zużywać małe ilości energii. Jednak jest ich często sporo. Przekazują dane o pomiarach, jakie wykonują w czasie rzeczywistym, które następnie trzeba przetworzyć i zanalizować, czasem też przesłać dalej, informując użytkownika o sytuacji.

Końcówki sieci IoT często składają się w głównej części z takich pojedynczych sensorów, zużywających coraz mniej energii. Coraz częściej stosuje się też energię pozyskiwaną z otoczenia. Czasem pracują w dużych sieciach, czasem samodzielnie, odizolowane od otoczenia. Często takie małe aplikacje IoT tworzone są tak, by pracować latami, bez konieczności zaglądania do nich (wliczając w to wymianę baterii).

Producenci nieustannie udoskonalają swoje układy w tej materii. To umożliwi projektantom tworzenie rozwiązań, które będą w stanie pracować samodzielnie, bez konieczności pozyskiwania dodatkowej energii z zewnątrz. Takie aplikacje mogą pracować długo, generując i przesyłając dane dalej.

Podobną przyszłość czekają też urządzenia noszone, takie projekty już powoli się pojawiają. Mowa tu o urządzeniach, które nie będą potrzebować dodatkowej energii z zewnątrz. Będą się samodzielnie zasilać, korzystając np. z ciepła naszego ciała.

Pora na energię!

Poniższy rysunek przedstawia jedną z koncepcji, jak można to osiągnąć. W typowych, dużych aplikacjach, projektanci mają do wyboru wiele układów zarządzania energią. Jednak w przypadku aplikacji o ultraniskim poborze energii wybór jest już mniejszy. Koniecznym jest stosowanie wyspecjalizowanych układów, stworzonych z myślą o tak energooszczędnych aplikacjach, które będą pobierać energię z otoczenia. A tej nie zawsze jest wiele.



Jak to może wyglądać nieco dokładniej? Przykładem może być poniższy rysunek, przedstawiający projekt takiej energooszczędnej aplikacji, wykorzystującej wyspecjalizowany układ zarządzania energią od Analog Devices – ADP5090.



Układ ten zawiera w sobie takie funkcje jak:
  • wydajny i oszczędny regulator zwiększający napięcie,
  • wspierany przez funkcję śledzenia maksymalnego punktu pracy (MPPT),
  • zarządzanie ładowaniem,
  • itp.

Funkcja MPPT może zostać skonfigurowana do pracy z ogniwami fotowoltaicznymi, jak również ze źródłami termoelektrycznymi. Pracować może z mocą od 200 mW do 16 W. Do startu wymaga napięcia 380 mV, które potem może spaść nawet do 80 mV, co umożliwi podtrzymanie pracy układu.

Znajdziemy tu też wsparcie dla dodatkowego ogniwa, jako opcję dodatkową, pozwalającą na podtrzymanie pracy aplikacji w czasie, gdy główne źródło zasilania przestanie pracować. Przełączanie wykonywane jest automatycznie i bardzo sprawnie. Układ zamknięto w obudowie o wymiarach zaledwie 3 na 3 mm. Dzięki temu świetnie odnajdzie się w aplikacjach IoT i nie tylko.

Producent przewidział także zestaw ewaluacyjny i demonstracyjny – APD5090-EVALZ, co stanowić ma ciekawą platformę do budowy tego typu energooszczędnych aplikacji.



Alternatywą może być inny, warty uwagi układ: LTC3588-1 od Linear Technology. On również dostosowany jest do pracy ze źródłami pozyskującymi energię z otoczenia. Jednak wyróżnia go gotowość do pracy z prądem przemiennym, a więc takimi źródłami jak generatory piezoelektryczne. Układ ten bowiem zawiera w sobie energooszczędny i mało-stratny mostek prostowniczy oraz regulator.



Można do niego podpiąć (do Vin) zewnętrzny kondensator, który będzie pracował jako niewielki rezerwuar energii. Wbudowany konwerter odpowiednio steruje energią, do kondensatora wejściowego, a dalej do wyjściowego. Układ pracuje na zasadzie załączania i wyłączania regulatora. Gdy napięcie jest wystarczająco wysokie, regulator się aktywuje. W przeciwnym wypadku, energia do zasilania układów jest pobierana z kondensatora wyjściowego. Zainteresowani tym komponentem mogą zaznajomić się z nim z pomocą demonstracyjnego układu deweloperskiego DC1459B-A-ND.

Innym przykładem wartym uwagi może być układ S6AE101A od Cypress Semiconductor. Jest to układ stworzony z myślą o sensorach bezprzewodowych, które pobierać mają energię ze słońca za pomocą paneli solarnych. Tu również znajdziemy wsparcie dla zapasowego źródła energii w postaci baterii. Dedykowany mu zestaw deweloperski oznaczony został symbolem S6SAE101A00SA1002.

Łączymy

Coraz chętniej buduje się aplikacje bezprzewodowe. Przyda się więc transceiver RF. To często główny element funkcyjny całej aplikacji i stanowi spory pożeracz energii. Tu również stosuje się specjalne układy o wysokim stopniu zintegrowania i niskim zużyciu energii, które wykorzystują nowoczesne sieci, stworzone z myślą o jak największym ograniczeniu zużycia energii przy przesyłaniu danych.

Przykładem takiego układu może być MAX7037 od Maxim Integrated. Jest to 4-pasmowy transceiver RF pracujący na pasmach sub-GHz (poniżej 1 GHz). Zawiera w sobie dodatkowo zintegrowany mikrokontroler klasy 8051 oraz układ interfejsu do podpięcia różnego rodzaju sensorów („Mixed-signal”).



Pod kontrolą procesora nadrzędnego (‘host’), układ ten ma zapotrzebowanie w wysokości około 16 mA przy transmitowaniu i około 22 mA przy odbieraniu danych. W trybie uśpienia zadowala go zaledwie 100 nA. Pracować może na pasmach 315, 433, 868 oraz 915-930, wykorzystując modulację FFSK, FMSK i ASM.

Wspomniany interfejs wspierany jest przez 9-bitowy przetwornik ADC Sigma-Delta, dla obsługi sensorów z wyjściem analogowym. Komunikować się może za pomocą interfejsu SPI lub UART. Aby się zapoznać z możliwościami oferowanymi przez ten transceiver należy sięgnąć po płytkę MAX7037EVKIT.

Ciekawą alternatywą dla układu Maxim może być CC1310 od Texas Instruments. W przeciwieństwie do wspomnianego wyżej, może pracować samodzielnie, bez procesora sterującego. Należy do rodziny SimpleLink.

Zawiera w sobie rdzeń Cortex-M3 wspierany przez kontroler sensoryczny. Dzięki pracy samodzielnej jest w stanie obniżyć ogólne zużycie energii całej aplikacji. Umożliwia pracę na pasmach 315, 433, 470, 500, 779, 868 oraz 915-920 MHz.



Do tego jeszcze sensory...

Rdzeniem aplikacji IoT pozostają sensory, których zadaniem jest przechwytywanie informacji z otoczenia. Technologii sensorycznych jest obecnie wiele, lecz to technologia MEMS zrewolucjonizowała rynek i stała się najpopularniejsza.

Najpopularniejszymi sensorami w elektronice noszonej są oksymetry i czujniki tętna oraz pulsu. Znajdziemy je najczęściej w urządzeniach sportowych i medycznych. Często realizuje się je z wykorzystaniem diod LED i fotodiod. Przykładem może być SFH7050 BioMon sensor od Osram Opto Semiconductors. W jednej kompaktowej obudowie zawarto trzy emitery (zielony, czerwony, IR) oraz dedykowany detektor.

Innymi często wykorzystywanymi sensorami w elektronice noszonej są czujniki ruchu. Tutaj prym wiedzie wspomniana technologia MEMS. Wynika to z tego, że umożliwia dużą miniaturyzację, zapewnia świetną precyzję i niskie zużycie energii. Aby zapewnić jak najwięcej funkcjonalności, wielu producentów umieszcza wiele elementów pomiarowych w jednej obudowie, tworząc sensory o dużej, bogatej funkcjonalności.

Przykładem takowego może być ICM-20789 od TDK InvenSense. Jest to 6-osiowy sensor inercyjny ze zintegrowanym sensorem ciśnieniowym. 3-osiowy akcelerometr i 3-osiowy żyroskop wspierany jest przez czujnik ciśnienia, by móc mierzyć dodatkowo zmiany wysokości. Dodatkowo, każdy z tych elementów wspierany jest przez sensor temperaturowy na potrzeby funkcji kalibracji i kompensacji. Informację o temperaturze jednak może odczytać też układ nadrzędny, więc stanowi to dodatkową funkcję tego sensora.

Wszystko razem

Kombinacja takich komponentów wpływa na kształt gotowej aplikacji. Możemy wykorzystać powyższe przykłady w rozważaniach na temat naszej hipotetycznej aplikacji. Poniższa tabela obrazuje charakterystyki elektryczne dla wspomnianych elementów:



Zużycie energii jest obliczane z poniższych wzorów, gdzie podstawą czasową jest okres 10 ms:

E(uJ) = V(V) x I (mA) x T (ms)

E(uj) = ½ x C x (V-max^2 – V-min^2)

Szczegóły związane z obliczaniem zużytej energii, skąd zaczerpnięto powyższe wzory, znaleźć można w opracowaniu „AN210772: ‘Energy Calculation for Energy Harvesting with S6AE101A, S6AE102A and S6AE103A’”, od Cypress Semiconductor. Tłumaczy ona jak należy obliczać zużywaną energię, by móc dobrze zaprojektować układ zasilania i dobrać odpowiedni układ PMIC wspierający źródła, generujące energię z otoczenia.

W sumie więc, nasza aplikacja w zakładanym czasie będzie zużywać około 3.4 mJ energii. Można by więc założyć, że należało by wykorzystać kondensator o pojemności około 1000 uF. Rozważania te oczywiście są teoretyczne i niektóre z tych wartości można by poprawić przy odpowiedniej optymalizacji.

Jednakże już teraz widać, że nawet obecnie nie jest problemem tworzenie wysoce funkcjonalnych aplikacji zużywających bardzo mało energii, dzięki czemu mogą być zasilane ze źródeł energii odnawialnej, pozyskujących energię z otoczenia.

Rynek ten jednak nieustannie i bardzo sprawnie się rozwija. Już niedługo powstaną nowsze rozwiązania, bardziej energooszczędne, które pozwolą jeszcze lepiej realizować założenia samodzielnej aplikacji IoT, elektroniki noszonej, itp. Jednocześnie widzimy, że koszt budowy takiej aplikacji wcale nie musi być duży.



Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © DigiKey

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
September 21 2018 11:51 V11.0.0-2