Беспроводные сенсорные узлы с автономным питанием и сбором энергии

Узлы беспроводных датчиков (WSN) привлекают все больше внимания в последние годы. Одним из основных преимуществ WSN является его способность постоянно отслеживать данные различных параметров. Эти датчики используются, например, в системах водопровода для контроля параметров жидкости и потока. Одна из проблем WSN - это источник питания. Это устройство с батарейным питанием, и по окончании срока службы батарей их необходимо заменить или перезарядить. Поскольку WSN можно разместить в удаленном месте, замена батарей не всегда практична. Существующий подход к решению этой проблемы заключается в добавлении сбора энергии к WSN. Сборщики энергии могут собирать доступную энергию из окружающей среды, например механическую, тепловую или фотоэлектрическую энергию, и преобразовывать ее в электрическую.

Как работает WSN?
Обычно узел беспроводного датчика состоит из четырех основных компонентов:

Источник питания
Микроконтроллер (MCU)
Коммуникационный модуль
Датчик

Инженеры-проектировщики попытались регулировать энергопотребление в WSN, запрограммировав его работу на основе рабочих циклов. Здесь сенсорный узел постоянно находится в режиме пониженного энергопотребления (глубокий сон) и активируется на короткое время для сбора данных, вычислений, измерений и связи. 

В среднем, потребляемая мощность микроконтроллера в спящем режиме находится в диапазоне нВт, а когда он находится в активном режиме, потребляемая мощность увеличивается до диапазона мкВт. Однако активный режим здесь не является основным элементом энергопотребления, поскольку обычно это происходит только на короткое время (миллисекунды). Ток сна - это основной источник, который забирает большую часть энергии из батарей. Поэтому при проектировании WSN важно выбрать MCU со сверхнизким энергопотреблением в спящем режиме.

Например, Texas Instruments предлагает микроконтроллер со сверхнизким энергопотреблением MSP430FR600x , идеально подходящий для ультразвукового измерения расхода воды. Этот MCU потребляет в активном режиме примерно 120 мкА / МГц, а в режиме ожидания 450 нА.

Еще один пример продукта, который идеально подходит для устройств с батарейным питанием, - это микроконтроллер Silicon Labs EFM32PG22 . Он оснащен процессором ARM Cortex ® -M33 с тактовой частотой 76,8 МГц и потребляет 26 мкА / МГц в активном режиме. Ток сна EFM32PG22 составляет около 1,10 мкА и может упасть до 0,17 мкА.

Увеличение срока службы WSN за счет сбора энергии
Два подхода к сбору энергии продлевают жизнь WSN :

Продление срока службы батареи за счет подзарядки батареи собранной энергией .
Для этого необходима схема управления питанием для хранения собранной энергии в батарее или суперконденсаторе. Схема управления питанием состоит из трех основных компонентов: выпрямителя, преобразователя постоянного / постоянного тока и накопителя.

Выпрямление : Выпрямление необходимо только для сборщиков энергии, вырабатывающих переменное напряжение, например, электромагнитное или пьезоэлектрическое.
Преобразователь постоянного тока в постоянный: преобразователь постоянного тока в постоянный должен регулировать напряжение, генерируемое устройством сбора энергии, и использовать его для зарядки аккумулятора.
Хранение : используется элемент накопления энергии, такой как аккумулятор или суперконденсатор.
Этот подход можно продемонстрировать на демонстрационном наборе фотоэлектрического Интернета вещей e-peas DEMPV-BLE . DEMPV-BLE - это WSN, на борту которого находится фотоэлектрический фотоэлемент размером 35 мм x 50 мм. Этот набор можно измерить светимость, температуру и влажность и отправить данные через Bluetooth ® Low Energy (BLE) на смартфон. Бортовой солнечный элемент может обеспечить достаточное количество энергии для работы комплекта в помещении. Собранная энергия хранится в суперконденсаторе 160 мФ и может работать в течение пяти часов, отправляя сообщение маяка каждые 10 секунд с новыми измерениями.

Собранная энергия напрямую используется для питания компонентов WSN и, таким образом, становится автономной .
Этот подход обеспечивает подачу генерируемой энергии непосредственно в WSN без необходимости в накопительном элементе. Единственная проблема с этим подходом - гарантировать, что собранная энергия может покрыть мощность запуска и мощность передачи WSN. Давайте объясним это на наборе для сбора энергии ON Semiconductor Zigbee Green Power . Блок-схема системы представлена ​​на рисунке 3 . В комплект входит электромагнитный генератор в виде переключателя, преобразующий генерируемую механическую энергию в электрическую. Каждое нажатие переключателя заряжает конденсатор емкостью 33 мкФ, который питает NCP170.низкий отсев (LDO). Затем NCP170 обеспечивает питание 3,3 В для преобразователя NCS36510. Затем напряжение постепенно снижается, пока устройство NCS36510 не отключится. Это дает примерно 17 мс доступного времени работы для устройства. Запуск устройства происходит менее чем за 5,6 мсек, и сразу же передается одно сообщение. После передачи модуль переключается в режим приема, чтобы прослушивать ACK 802.15.4 (подтверждение) от получателя. После получения радио отключается.