Использование сбора энергии для надежных пограничных IoT-устройств

Внедрение IoT ускоряется, поскольку организации принимают цифровую трансформацию, а умная жизнь — в городах, на заводах и фермах — обещает улучшить качество жизни и устойчивость развития.

Конечные точки IoT обычно являются датчиками — или, реже, исполнительными механизмами — которые беспроводно подключаются к агрегатору или интернет-шлюзу. Они развертываются в больших количествах и распределяются на широких площадях. Полевое обслуживание, такое как замена разряженных первичных батарей, часто непомерно дорого и создает неприемлемые экологические отходы.

Инженеры могут обойти замену батарей, проектируя конечные точки с достаточным запасом энергии на весь ожидаемый срок службы, часто несколько лет. Форм-фактор монетной ячейки обычно предпочтителен из-за ограничений по размеру. Если запасенной энергии недостаточно, можно использовать более крупную ячейку.

Альтернативно, переработка схемы для снижения общего энергопотребления ниже доступного запаса ячейки может помочь. Любая стратегия — или их сочетание — все равно может не достичь цели.

Микросбор энергии, вырабатывающий микроватты или милливатты мощности, предлагает полезный и потенциально неистощимый источник электричества, захватываемого из окружающей среды. Он может дополнять или заменять первичный элемент в зависимости от приложения и доступной окружающей энергии. В некоторых случаях собранная и преобразованная энергия может питать схему напрямую; в других — более подходит накопление в буфере до момента необходимости.

В любом случае, для удовлетворения потребностей приложения требуется подходящий источник окружающей энергии. Среди различных подсистем конечной точки IoT радио потребляет больше всего энергии. Анализ его требований может توجيه проектирование и интеграцию системы сбора энергии.

Потребление энергии радио-подсистемы

Выбор наиболее подходящей беспроводной технологии для обеспечения требуемой скорости передачи данных и диапазона связи при минимально возможном потреблении энергии критически важен.

Если датчик расположен на небольшом расстоянии от агрегатора или шлюза — например, хаба или маршрутизатора, подключенного к интернету или локальной телефонной станции — могут быть подходящи технологии Bluetooth, Zigbee или Wi-Fi в зависимости от требуемой скорости передачи данных и ограничений по стоимости. Для конечных точек, распределенных на больших географических площадях, может потребоваться LPWAN или сотовая связь. На рисунке 1 сравнивается потребление энергии, скорость передачи данных, типичный максимальный диапазон и относительная стоимость основных технологий, используемых в IoT-приложениях.

Диапазон, скорость передачи данных и потребление энергии также могут быть выражены численно для прямого сравнения. Как показывает рисунок 2, беспроводная подсистема может потреблять от 150 мкВт до 400 мВт.

Для полного понимания влияния на общий энергопотребление системы необходимо учитывать коэффициент заполнения (duty cycle). Приложения, такие как умные счетчики коммунальных услуг, отправляют небольшие пакеты данных несколько раз в день или каждые несколько дней. Другие — как камеры наблюдения — могут нуждаться в частой или непрерывной передаче больших объемов данных. В зависимости от приложения коэффициент заполнения можно снизить путем локальной фильтрации данных перед передачей; камера, например, может включать датчик движения для начала записи только при обнаружении активности, или встроенная обработка изображений может отбрасывать неинтересные кадры. Энергия, необходимая для фильтрации данных, должна взвешиваться против экономии от более низкого коэффициента заполнения для обеспечения чистой выгоды.

Источники окружающей энергии

С четким представлением об энергетических потребностях беспроводной подсистемы можно оценить подходящие окружающие источники и технологии микросбора энергии.

Основные технологии микросбора энергии, способные питать эти системы — это массивы солнечных элементов, пьезоэлектрические или электростатические преобразователи, активируемые вибрациями, и пельтьеовские устройства, преобразующие температурный градиент в ЭДС. RF-энергия, захватываемая через пластинчатые или катушечные антенны, обычно подходит только для самых экономных IoT-приложений. На рисунке 3 сравниваются типичные плотности энергии этих технологий. Используя эту информацию, можно выбрать технологию и разработать спецификацию, оценивая размеры компонентов и производительность.

Солнечные элементы площадью 35–40 см² могут генерировать около 0,5 Вт при эффективности примерно 20%. Эти элементы доступны менее чем за $1 за штуку в объеме, в то время как пьезоэлектрические сборщики обычно как минимум на порядок дороже и производят меньше энергии. Солнечные элементы менее эффективны в помещениях, но современные внутренние сборщики заявляют достаточную выходную мощность для низкоэнергетических радио.

Объединение всего вместе

Используя эти достижения, микросбор энергии может сократить или устранить батареи в конечных точках IoT. Поскольку окружающие источники нерегулярны и могут быть недоступны, когда устройству нужно передать или принять данные, обычно требуется энергетический буфер — например, перезаряжаемая батарея, конденсатор или суперконденсатор. Специализированный микросхема управления питанием для сбора энергии (EH PMIC) управляет энергией от подсистемы сбора, заряжает буфер и питает нагрузку при необходимости, как показано на рисунке 4. Различные технологии сбора имеют уникальные электрические характеристики. Термоэлектрические сборщики выдают постоянный низковольтный ток постоянного тока и имеют низкое сопротивление; солнечные элементы также выдают низкое постоянное напряжение, но ток — и следовательно сопротивление — меняется с уровнем освещенности.

Типичные EH PMIC на рынке сегодня имеют фиксированные архитектуры и диапазоны входного напряжения, адаптированные к определенному типу сборщика. Это ограничивает возможность комбинирования нескольких источников энергии, если один не может удовлетворить системные требования. Когда нужно несколько источников, для каждого требуется отдельный EH PMIC, что увеличивает стоимость, размер, потребление энергии и сложность проектирования.

Некоторые EH PMIC можно настроить с помощью внешней схемы для согласования выхода сборщика. Для упрощения системного проектирования EH PMIC Trameto — называемые OptiJoule — предлагают входы, автоматически адаптирующиеся к различным подключенным сборщикам и максимизирующие мощность, поступающую в буфер, без внешней схемы. Доступны версии для одного входа или до четырех входов. Многовходовые версии позволяют подключение похожих или разных сборщиков. С устройствами OptiJoule емкость микросбора энергии может быть масштабирована, один PMIC может обслуживать несколько приложений, а выбор технологии сбора можно отложить до более поздних стадий разработки продукта.

Заключение

Прогресс в оптимизированных радио-протоколах, дизайне микропроцессоров с низким энергопотреблением, низкоэнергетических датчиках и повышении эффективности микросбора энергии сделал окружающую энергию жизнеспособным источником для сокращения или устранения батарей в пограничных IoT-устройствах. Новейшие разработки EH PMIC обеспечивают гибкость для управления размером, стоимостью и сложностью при интеграции выбранных технологий микросбора энергии.