Обеспечение работы сбора энергии для периферийных устройств Интернета вещей

Развертывания Интернета вещей продолжают развиваться по мере того, как организации проводят цифровую трансформацию, и поскольку разумный образ жизни - во всех его формах - является ключом к повышению качества жизни и устойчивости.

Конечные точки IoT, как правило, представляют собой датчики или, реже, исполнительные механизмы, которые подключаются по беспроводной сети к агрегатному устройству или интернет-шлюзу. Они часто развертываются в большом количестве, а в таких сценариях, как умный город, умная фабрика или умное сельское хозяйство, рассредоточены по большой географической области. Стоимость проведения технического обслуживания в полевых условиях, например, замены разряженных первичных батарей, обычно непомерно высока. Кроме того, выброшенные батареи представляют собой угрозу для окружающей среды, которая становится все более неприемлемой.

При проектировании оконечных устройств инженеры могут избежать необходимости замены батареи, обеспечив источник энергии, достаточный для ожидаемого срока службы устройства. Это могло быть несколько лет. Форм-фактор «таблетка» обычно желателен из-за ограничений по размеру. Если запасенная энергия не соответствует системным требованиям, можно установить более крупный элемент.

Альтернативой является перепроектирование схемы, чтобы снизить общую потребность системы в энергии ниже доступного хранилища ячеек. Любой из подходов или их комбинация может не достичь поставленной цели.

Сбор микроэнергии, порядка микроватт или милливатт, может обеспечить полезный и потенциально неисчерпаемый запас электроэнергии, улавливаемой из окружающей среды. Он может дополнять или заменять первичный элемент, в зависимости от области применения и доступной энергии окружающей среды. Собранная и преобразованная энергия может напрямую питать схему. С другой стороны, хранение энергии в буфере до тех пор, пока она не понадобится, может быть более подходящим подходом.

В любом случае требуется подходящий источник энергии окружающей среды, способный удовлетворить потребности приложения. Среди различных подсистем конечной точки Интернета вещей наибольший спрос на энергию приходится на радио. Было бы поучительно проанализировать здесь требования для разработки и интеграции системы сбора энергии.

Энергопотребление радиоподсистемы

Выбор наиболее подходящей беспроводной технологии, обеспечивающей требуемую скорость передачи данных и дальность связи при минимально возможном энергопотреблении, имеет решающее значение.

Если датчик должен быть расположен только на небольшом расстоянии от агрегатора или шлюза, такого как концентратор или маршрутизатор, подключенные к Интернету или через местную телефонную станцию, может подойти такая технология, как Bluetooth, Zigbee или Wi-Fi, в зависимости от от требуемой скорости передачи данных, а также от ограничений по стоимости. В других случаях, например, когда конечные точки распределены по географически большой территории, может потребоваться LPWAN или сотовая связь. На рис. 1 сравниваются энергопотребление, скорость передачи данных, типичная максимальная дальность и относительная стоимость основных технологий, используемых в приложениях Интернета вещей.

Диапазон, скорость передачи данных и потребляемая мощность также могут быть выражены численно, чтобы облегчить прямое сравнение. Как показано на рисунке 2, беспроводная подсистема может потреблять всего от 150 мкВт до 400 мВт.

Чтобы полностью понять влияние на общую потребность системы в энергии, необходимо также учитывать рабочий цикл. Такие приложения, как интеллектуальные счетчики коммунальных услуг, предполагают отправку небольших пакетов данных несколько раз в день или каждые несколько дней. Другим, например камерам видеонаблюдения, может потребоваться часто или непрерывно отправлять большие объемы данных. В зависимости от приложения рабочий цикл может быть сокращен путем локальной фильтрации данных в системе перед передачей; камера может быть оснащена датчиком движения, чтобы начать запись только при обнаружении активности, или встроенная обработка изображения может отбрасывать неинтересные данные. Конечно, энергия, необходимая для фильтрации данных, должна сравниваться с энергией, сэкономленной за счет сокращения рабочего цикла, чтобы обеспечить чистую выгоду.

Окружающие источники энергии

Получив представление об энергии и мощности, требуемых беспроводной подсистемой, можно оценить подходящие источники окружающей среды и технологии сбора микроэнергии.

Основными технологиями сбора микроэнергии, подходящими для питания этих систем, являются массивы солнечных элементов, пьезоэлектрические или электростатические преобразователи, активируемые вибрацией, и устройства Пельтье, которые преобразуют температурный градиент в электродвижущую силу (ЭДС). Источники РЧ-энергии, захваченные через патч или спиральные антенны, обычно не подходят для всех, кроме самых экономных приложений IoT. На рисунке 3 сравниваются типичные плотности энергии, связанные с этими технологиями. Используя эту информацию, можно выбрать технологию и начать разработку спецификации с оценки размеров и производительности доступных компонентов.

Солнечные батареи площадью 35-40см ² может генерировать около 0,5 Вт при КПД около 20%. Они доступны по цене менее 1 доллара США каждый, в то время как пьезоэлектрические комбайны обычно как минимум на порядок дороже и производят меньше энергии. Известно, что солнечные элементы менее эффективны при использовании в помещении. Однако недавно были представлены некоторые домашние солнечные комбайны, которые, как утверждается, обеспечивают достаточную мощность для маломощных радиоприемников.

Собираем все вместе

Используя такие достижения, сбор микроэнергии можно рассматривать как решение для уменьшения или устранения батарей в конечных точках IoT. Поскольку сами источники энергии часто нерегулярны и не обязательно доступны, когда устройству IoT необходимо передавать или принимать данные, обычно требуется буфер энергии или устройство хранения. Это может быть аккумулятор или конденсатор (или суперконденсатор). ИС управления мощностью сбора энергии (EH PMIC) необходима для обработки энергии из подсистемы сбора энергии, управления зарядом, подаваемым в буфер энергии, и питания нагрузки, когда это необходимо, как показано на рисунке 4. Различные технологии сбора энергии имеют разные электрические характеристики. Термоэлектрические комбайны вырабатывают непрерывный постоянный ток при низком напряжении и поэтому имеют низкий импеданс. Хотя солнечные элементы также производят низкое постоянное напряжение, ток и, следовательно, импеданс зависят от уровня освещенности.

Типичные EH PMICS, представленные сегодня на рынке, имеют фиксированную архитектуру и диапазон входного напряжения, предназначенные для работы с конкретным типом харвестера. Это исключает использование альтернативного комбайна для улавливания дополнительной энергии окружающей среды, если только один источник не может удовлетворить системные требования. Следовательно, если требуется несколько источников энергии, для каждого из них требуется специальный EH PMIC. Это увеличивает стоимость, размер и энергопотребление системы, а также может усложнить конструкцию.

Некоторые EH PMIC могут быть модифицированы с использованием внешней схемы для кондиционирования выходной мощности комбайна. Однако для упрощения конструкции системы EH PMIC от Trameto, называемые OptiJoule, предоставляют входы, которые автономно адаптируются к различным типам подключенного харвестера и максимизируют мощность, подаваемую в буфер, без необходимости использования внешних схем. Доступны версии для одного входа или до четырех входов. Версии с несколькими входами позволяют подключать одинаковые или разные типы харвестеров. Таким образом, с помощью устройств OptiJoule можно масштабировать емкость сбора микроэнергии, использовать один PMIC для нескольких приложений и даже отложить выбор технологии сбора энергии до более поздних этапов разработки продукта, если это необходимо.

Заключение

Благодаря развитию оптимизированных протоколов радиосвязи, конструкции микропроцессоров с низким энергопотреблением, датчикам с низким энергопотреблением и повышению эффективности сбора микроэнергии, энергия окружающей среды стала жизнеспособным источником, помогающим снизить или исключить зависимость от батарей и продлить срок службы конечных точек Интернета вещей в поле. Последние разработки в области EH PMIC обеспечивают дополнительную гибкость в управлении размером, стоимостью и сложностью при интеграции выбранных технологий сбора энергии на микроуровне.