Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2013
Nancy Friedrich
Microwaves & RF
Эффективность и другие рабочие характеристики беспроводных датчиков постоянно повышаются, а вопросы обеспечения автономных устройств энергией выходят за рамки узкой ниши и проникают в повседневные приложения.
Энергия – солнечная, тепловая, пьезоэлектрическая или электромагнитная – окружает нас со всех сторон. «Собирая» хотя бы небольшую ее часть, инжиниринговые компании могут расширить внедрение сенсорных технологий, направленных на обеспечение всеобщего блага. Подобные сенсорные приложения включают различные носимые медицинские средства диагностики и наблюдения, авиационные и автомобильные функциональные мониторы, а также технические средства удаленного учета потребленного газа, тепловой и электрической энергии. Возможность извлечения энергии из разнообразных источников позволит улучшить медицинское обслуживание в районах с плохо развитой инфраструктурой, например, в сельской местности. Глобальное развитие данного направления электроники поддерживается все бóльшим числом технических средств – от специализированных интегральных микросхем, до активных и пассивных дискретных компонентов.
Примеры можно найти среди компонентов готовых отладочных модулей «Energy Harvesting Solution To Go» компаний Energy Micro, Linear Technology и Würth Elektronik. Два базовых компонента этих комплектов – плата сбора энергии и стартовый набор Giant Gecko. Оба элемента содержат пассивные компоненты от Würth Elektronik. Например, трансформаторы WE-EHPI, специально разработанные для устройств сбора энергии из окружающей среды, отличаются высокой эффективностью благодаря низкому активному сопротивлению обмоток и сердечнику, разработанному специально для жестких условий эксплуатации. Эффективное подавление электромагнитных помех реализуется с помощью SMD ферритовых фильтров у каждого вывода трансформатора.
 |
|
| Рисунок 1. | Многоцелевая плата сбора энергии компании Linear Technology. |
Многоцелевая плата сбора энергии (Рисунок 1) выпускается с четырьмя преобразователями напряжения от Linear Technology, каждый из которых оптимизирован для различных источников энергии. Например, микросхема LTC3588 предназначена для источников переменного тока с напряжением до 20 В, таких как пьезоэлектрические и индуктивные электрогенераторы. В состав стартового набора Giant Gecko Starter Kit (Рисунок 2) входит микроконтроллер (МК) EFM32GG990F1024, в активном режиме потребляющий всего 200 мкA/MГц. Ядро ARM Cortex M3 этого МК работает на частоте до 48 МГц. МК имеет 1024 КБ Flash памяти, 128 КБ RAM, интерфейс USB, контроллер ЖКИ, а также сенсорный интерфейс LESENCE.
 |
|
| Рисунок 2. | Стартовый набор EFM32 Giant Gecko Starter Kit. |
Если посмотреть на различных подходы, реализованные в средствах извлечения энергии, станет понятно, что данный комплект содержит все необходимое для начала полноценной работы. В случае беспроводных приложений малого радиуса действия, например, в узлах датчиков, получающих энергию от внешних источников, используются дешевые микросхемы, выполняющие функции измерения, обработки сигналов, сбора данных и коммуникаций. Каждый узел таких систем снабжен маломощным беспроводным интерфейсом.
 |
|
| Рисунок 3. | Базовая структура автономного беспроводного датчика. Выход первичного датчика, как правило, соединен с МК, который обрабатывает полученную информацию (т.е., данные о температуре, давлении, ускорении и т.д.). |
Большинство автономных датчиков имеет структуру, подобную изображенной на Рисунке 3. Функции основных блоков заключаются в следующем:
- датчик измеряет и собирает любое количество параметров окружающей среды, необходимых в конкретном приложении;
- преобразователь конвертирует какой-либо вид энергии в электрическую;
- модуль управления питанием стабилизирует, перенаправляет и запасает полученную энергию;
- МК обрабатывает полученные от первичных датчиков сигналы и поддерживает связь с другими узлами системы через радиоканал;
- приемник сигнала пробуждения принимает внешний запрос на вывод датчика из спящего режима.
Однако ключевой особенностью подобных систем является не просто то, как различные части соединены между собой. Устройства извлечения энергии предъявляют очень серьезные требования к каждому отдельному компоненту, в частности, по потребляемой мощности и эффективности. Так, для того, чтобы продлить срок службы источника энергии, МК и радиомодуль должны работать в режимах с минимальным потреблением всегда, когда это возможно. За последние годы производители МК и радиочастотных микросхем инвестировали большие средства в разработку и производство малопотребляющих приборов, которые могут использоваться в беспроводных сенсорных узлах малого радиуса действия с питанием от извлекаемой энергии. В качестве примера можно привести ВЧ модули и МК, способные работать при напряжении питания 1.8 В, что дает возможность достичь в беспроводном устройстве ультранизкого потребления мощности.
Необходимо также, чтобы микроконтроллер был способен быстро переходить из спящего режима в активный режим. Это уменьшает потребление тока между передачей и приемом информации, а значит, экономит запасы электроэнергии. Ключом к более экономичной архитектуре ВЧ устройств является требование снижения мощности при передаче и приеме пакетов данных. Системы сбора энергии также нуждаются в устойчивых протоколах передачи информации. Минимизация ошибок при пакетном обмене данными снижает время работы устройств в эфире, а значит, снижается ежедневно необходимая «порция» энергии, собранная преобразователем из окружающей среды.
Не меньшее значение имеют и вопросы, связанные со структурой сетей беспроводных датчиков. Например, большинство таких сетей работает в циклическом режиме, что бережет энергию и ограничивает пространство радиочастот, но порождает всплески потребляемого датчиками тока. Низкие уровни пиков потребления радио трансиверов снижают остроту проблемы разработки источников питания автономных датчиков.
Эти ограничения еще важнее для датчиков, питание которых полностью основано на сборе внешней энергии. Часто первичные преобразователи энергии имеют выходное сопротивление намного большее, чем аккумуляторы. Это означает, что микромощный узел управления питанием должен не только управлять распределением энергии между преобразователем и датчиком, но и конвертировать импеданс источника.
Независимо от методов и технологии построения систем сбора энергии, все решения подчинены главной цели – максимальному увеличению экономичности, чтобы передавать информацию как можно чаще. Однако каждая технология сбора имеет достаточно узкие пределы использования. Сегодня наиболее распространенными являются преобразователи солнечной энергии, так как работают с эффективностью от 25% до 50% на см2 (Таблица 1). Следствием широкого распространения фотогальванических элементов будет постоянное снижение их цены в пересчете на см2.
| Таблица 1. | Сравнительные характеристики различных источников энергии (по данным Texas Instruments) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Современное состояние технологии извлечения энергии радиоволн
Системы сбора энергии радиоволн пока остаются, в основном, предметом лабораторных исследований, а в качестве самостоятельного решения еще не получили широкого распространения. Системы извлечения радиочастотной энергии существенно отличаются от всех остальных. Функционально они делятся на две части:
- приемник, имеющий настраиваемую антенну, выпрямитель, накопительный элемент (конденсатор), DC/DC преобразователь;
- передатчик, направляющий энергию радиоволн, например, по технологии компании PowerCast, или же внешний источник электромагнитного излучения (WiFi, сотовая связь или радио).
Типичная система сбора электромагнитной энергии состоит из четырех компонентов: настраиваемой антенны, элемента, накапливающего входную энергию, схемы управления питанием и выходного аккумулятора.
Подобно другим системам аналогичного назначения, устройства сбора энергии радиоволн нуждаются в улучшении множества характеристик. Из списка требующих первоочередного решения задач (многие из которых уже воплощаются) можно выделить:
- вопросы использования источников направленных радиоволн вместо энергии окружающего электромагнитного «фона»,
- совершенствование DC/DC преобразователей в части повышения их эффективности и снижения тока покоя,
- разработку более малопотребляющих микроконтроллеров и радиочастотных приемопередатчиков.
Существенно улучшить такие системы может индустрия производства ВЧ и СВЧ продукции, выводя на рынок новые экономичные приемопередатчики. Но даже соответствующие перечисленным требованиям системы с направленной передачей ВЧ энергии остаются узкоспециализированными. Те же из них, что используют «фоновые» радиоволны, проигрывают фотогальваническим или тепловым системам сбора энергии по показателям отбираемой мощности. Технологии сбора энергии радиоволн должны побороть еще один недостаток, типичный для радиосистем – ограничение радиуса действия, обусловленное влиянием зданий, взаимным расположением и другими причинами.
Пока технологии сбора энергии электромагнитных волн еще только начинают пробивать себе дорогу, системы извлечения энергии из других источников захватывают все новые области использования. Например, солнечные панели с течением времени будут только повышать свою эффективность и использоваться как внутри, так и снаружи помещений, т.е. везде, где есть источник освещения. Устройства сбора тепловой энергии находят применение в системах автоматизации зданий, там, где можно максимизировать разницу температур внутри и снаружи помещений, например на окнах. Тепловые преобразователи используются и как источники питания для различных нательных устройств медицинского назначения.
Обобщая, можно сказать, что системы сбора энергии имеют большое будущее, поскольку все больше и больше продуктов выходит на рынок из научных лабораторий.
Высказанную точку зрения подтверждают постоянно появляющиеся новые изделия. Например, разработанная компанией ams AG интерфейсная микросхема AS3953, предназначенная для систем коммуникации ближнего поля (NFC), позволяет создать высокоскоростной канал обмена данными между NFC устройством, таким скажем, как смартфон, и любым хост контроллером, имеющим стандартный интерфейс SPI. Микросхема питается собранной энергией излучаемых NFC считывателем радиоволн и не нуждается ни во внешнем источнике питания, ни во внешних компонентах, кроме, возможно, единственного конденсатора. AS3953 имеет конфигурируемый выход внешнего прерывания, предназначенный для вывода микроконтроллера из спящего состояния, что позволяет создавать устройства с нулевой мощностью потребления в неактивном режиме. Микросхема способна «извлекать» из энергии окружающего магнитного поля ток до 5 мА. С внешней схемой управления питанием AS3953 может обеспечивать собранной энергией автономное устройство.
Еще один из дебютов обещает решить давно поставленную аварийно-спасательными службами проблему определения местоположения внутри помещений. Японская компания ROHM, в содружестве с университетом Ritsumeikan и компанией ISID, анонсировала технологию Guidepost Cell. Используя сеть совместимых со стандартом IEEE 802.11 маломощных беспроводных маячков, созданная по такой технологии инфраструктура предоставляет смартфонам и другим мобильным устройствам возможность точного определения местоположения внутри помещений. Система питается энергией дешевых панелей солнечных элементов, изготовленных на основе органических красителей. Панели собирают энергию искусственного и естественного освещения внутри помещений, устраняя необходимость во внешнем источнике питания, а также снижая затраты на монтаж и эксплуатацию. Подобным фотоэлементам, способным отдавать 48 мкВт/см2 при освещении в 1000 люкс, предсказывают многообещающее будущее.
Мы рассмотрели всего лишь два из бесчисленного множества примеров. Потенциал развития этих решений не имеет, и не будет иметь границ до тех пор, пока они способны отвечать нашим возрастающим требованиям эффективности и производительности. С течением времени описанные решения будут все более миниатюризироваться, завоевывая рынок портативных медицинских приложений. А инженеры, по мере совершенствования микросхем и дискретных компонентов, будут последовательно преодолевать барьеры радиуса действия, помехоустойчивости и размеров.
