Esineiden internet vaatii paristottomia ja huoltovapaita päätelaitteita, jotta verkon koko potentiaali voitaisiin hyödyntää ja näin tehdä maailmasta entistä älykkäämpi. Avuksi tarvitaan ympäristöstä tehokkaasti energiaa kerääviä järjestelmiä. Lisäksi avainasemassa ovat ultrapihien puolijohdepiirien jatkuva kehitystyö sekä erittäin suorituskykyiset radiotekniikat kuten Bluetooth LE.

Tehokkaiden laitemarkkinoita analysoivien menetelmien käyttö on entistä helpompaa ja niiden avulla voidaan todeta anturidatan kysynnän huikea kasvu. Cisco-yhtiön aiemmin laatima ennuste 50 miljardista verkkoon kytketystä ’esineestä’ tänä vuonna ei vaikuta enää lainkaan liian kunnianhimoiselta.

Jos puoletkin näin valtavasta laitemäärästä käyttäisi tehonsyöttöön ainoastaan paristoa, niiden toimittamisesta aiheutuvat kustannukset ja ympäristörasitteet – sekä paristojen jatkuvan vaihtamisen haasteet – voisivat tehdä koko IoT-konseptista kestämättömän.

Paristottomat älykkäät anturit, jotka saavat käyttötehonsa keräämällä energiaa ympäristöstä, ovat teknisenä ratkaisunolleet näköpiirissä jo jonkin aikaa. Viimeisimmät saavutukset energiankeruun tekniikoissa yhdistettynä uusiin erittäin niukkatehoisiin mikropiireihin, antureihin ja radiotekniikoihin (mm. Bluetooth LE) tarkoittavat, että energian kerääminen ympäristöstä on nyt entistä käytännöllisempää, tehokkaampaa, edullisempaa ja yhä helpommin toteutettavissa luotettavasti pieneen kokoon.

Energiabudjetti niukemmaksi

Ajatellaan vaikka älykästä anturia, jonka on tarkoitus mitata ympäristöstä erilaisia tietoja ja lähettää niitä eteenpäin säännöllisin väliajoin. Paristottoman toiminnan edellytykset voidaan ymmärtää analysoimalla jokaisen lähetysjakson suorittamiseen tarvittava energia ja haluttu toistoväli. Jos järjestelmä pystyy keräämään riittävästi energiaa lähetysjaksojen suorittamiseen halutulla toistosyklillä, pitkäaikainen käyttö ilman paristoa on mahdollista.

Tarvittava energia riippuu järjestelmän tehosta sekä ympäristödatan sieppaamiseen ja lähettämiseen vaadittavasta ajasta. Näiden vaatimusten minimoimiseksi Bluetooth Low Energy ja muut vastaavat protokollat (kuten Zigbee Green Power) on optimoitu lyhytkestoisten lähetysten ja alhaisen lähetystehon saavuttamiseksi tietoturvasta tinkimättä.

Käyttäen kumpaa tahansa mainituista protokollista on mahdollista lähettää anturidatan täysi kehys noin 10 millisekunnissa (tai alle). Jos anturisolmun alijärjestelmä pystyy toimimaan luotettavasti esimerkiksi 10 mA virralla ja 1 voltin jännitteellä, tähän tarvittava energiabudjetti voidaan laskea kaavasta:

1 V x 10 mA x 10 ms = 100 µJ/operaatio

Tämä tulos kuvastaa joitakin alustavia tavoitteita, jotka on otettava huomioon.

Jos oletetaan, että anturimittausten, prosessoinnin ja radioliikenteen alijärjestelmät kykenevät toimimaan noin 1 voltin jännitteellä, tarvittava kokonaisenergiabudjetti on 100 mikrojoulea. Energiankeruun alijärjestelmän on siepattava ympäristöstä tarpeeksi energiaa, jotta vähintään 100 µJ olisi käytettävissä solmulaitteen toimintoihin aina tarvittaessa.

Ainoa rajoitus on saada tämä energia riittämään halutulla toistotahdilla. Jos toistoväli on yhden ja kymmenen sekunnin välillä, tämä on kova vaatimus energiankeruulähteelle, muttei mahdoton. Esimerkiksi tavallinen 1-2 neliötuuman aurinkokenno, jonka hyötysuhde voi olla alimmillaan vain 4 prosentin luokkaa, selviytyy tästä haasteesta.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi järjestelmän suunnittelu tulee aloittaa käyttäen erittäin niukasti tehoa kuluttavia antureita. Uusimpaan MEMS-teknologiaan perustuvat anturit pystyvät vastaamaan näihin vaatimuksiin tarjoamalla mitättömän vähäisen virrankulutuksen, joka perustuu kehittyneen mekaanisen suunnittelun ja korkeatasoisen integroinnin yhdistelmään.

Tällaisten anturien valikoimasta Boschin kehittämä niukkatehoinen BME280-ympäristöanturi sisältää integroidut paine-, lämpötila- ja kosteusanturit samassa paketissa. BMA400 puolestaan on teollisuuden ensimmäinen 3-akselinen kiihtyvyysanturi, joka tarjoa äärimmäisen niukasti tehoa kuluttavan toiminnan suorituskyvystä tinkimättä.

Yhdistämällä nämä anturipiirit on mahdollista muodostaa erittäin niukkatehoinen monianturialusta, joka sisältää myös inertia-anturin. Alusta soveltuu lukuisiin eri sovelluksiin kuten ilmastointijärjestelmiin, prosessinvalvontaan, omaisuuden seurantaan ja murtohälytysjärjestelmiin.

Järjestelmä paketissa

Vastatakseen prosessointia ja radioliikennettä hoitavien alijärjestelmien asettamiin haasteisiin ON Semiconductor on kehittänyt IoT-sovelluksiin erittäin niukkatehoisen SiP-paketin (System-in-Package) RSL10 SIP. Tämä yhdistelmäpaketti sisältää radioliikenteestä vastaavan SoC-piirin, integroidun antennin, tehonhallintapiirin sekä kaikki tarvittavat passiiviset komponentit.

SiP-paketin tehonkulutus on erittäin alhainen: vain 62,5 nanowattia syvässä lepotilassa ja 7 milliwattia vastaanottotilassa. Piiri pystyy toimimaan alimmillaan 1,1 voltin jännitteellä ja siihen on integroitu myös flash- ja RAM-muistilohkot. Se tukee FOTA-päivityksiä (Firmware Over The Air) muistinsuojauksen kera ja piiri on myös sertifioitu maailmanlaajuisten sääntelystandardien mukaisesti (mm. CE ja US FCC).

Yhdistämällä SiP-paketti RSL10 erittäin niukkatehoisiin BME280- ja BMA400-antureihin sekä ON Semiconductorin digitaaliseen lämpömittari/hälytyspiiriin NTC203, on saatu aikaan RSL10-aurinkokenno-monianturialusta (kuva 1).

Tämä käyttövalmis paristoton anturisolmu kytkeytyy keskittimeen (esim. yhdyskäytävään tai älypuhelimeen) käyttämällä Bluetooth LE -protokollaa. Alusta toimitetaan lähdekoodin, piirikaavioiden ja Gerber-tiedostojen kera räätälöinnin mahdollistamiseksi.

Kuva 1. Aurinkokennolla varustettu RSL10-monianturialusta valmiina lähettämään anturitietoja Bluetooth Low Energy -protokollaa käyttäen.

Energiaa keräämällä

RSL10-monianturialustassa hyödynnetty erittäin niukkatehoisten tekniikoiden yhdistelmä kykenee mittaamaan ja siirtämään eteenpäin ympäristöä koskevia tietoja sekä solmulaitteen liikedataa alle 10 millisekunnin jaksoissa keskimäärin noin 10 mA virrankulutuksella. Jotta tästä saataisiin käytännöllinen sovellus, energiankeruuseen tarkoitetun alijärjestelmän täytyy vain tuottaa riittävästi energiaa laitteen toiminnan tukemiseksi, kun toimitaan asianmukaisen käyttösyklin puitteissa.

Energiaa voidaan kerätä ympäristön lähteistä (kuten auringonvalosta) tyypillisesti melko hitaasti. Yksi lähestymistapa on määrittää niin sanottu vahvistuskerroin suhteessa energiantarpeeseen. Esimerkiksi energian kerääminen yhden sekunnin ajan ja anturin käyttäminen 10 millisekunnin ajan tuottaa vahvistuskertoimeksi 100. Vastaavasti 10 sekunnin pituinen energiankeruujakso ja 5 ms mittaus/lähetysjakso antaa vahvistuskertoimeksi 2000.

Aurinkokennolla varustetun RSL-monianturialustan kerran sekunnissa tapahtuvaa 10 ms lähetysjaksoa vastaavaenergiankeruun vahvistuskerroin on noin 100. Jatkuvalla energiankeruulla kerran 10 sekunnissa tapahtuva lähetysjakso antaa puolestaan kertoimeksi 1000.

Näiden lukujen perusteella aurinkokennoa hyödyntävän energiankeruujärjestelmän on muodostettava virtalähde, joka kykenee syöttämään 10 mA/100 = 100 µA tai 10 mA/1000 = 10 µA virran, jotta lähetysjakso voidaan toistaa kerran sekunnissa tai vastaavasti kerran 10 sekunnissa. Nämä tiedot auttavat valitsemaan sopivan aurinkopaneelin monianturialustan tehonsyöttöä varten. Paneelin voi kätevästi liittää anturikorttiin kaksiporttisen liittimen kautta.

Ribes Techin valmistama aurinkokennomoduuli FlexRB-25-7030 täyttää miltei täsmällisesti nämä vaatimukset. Se tuottaa 16 mikroampeerin virran 200 luksin valaistuksessa tai 80 µA virran 1000 luksilla, mikä riittää 10 ms pituisen lähetysjakson suorittamiseen enintään noin kerran sekunnissa (kuva 2).

Kaksisataa luksia on tyypillinen luonnonvalon tuottama valaistusvoimakkuus sisätiloissa talvisena iltapäivänä pilvisellä säällä. Kirkkaampi ilma, ylimääräiset keinovalolähteet tai kennon sijoittamien ulos tai ikkunan läheisyyteen voi lisätä valaistusvoimakkuutta useita satoja lukseja.

Kuva 2. RSL10-monianturialustaa on demonstroitu liitettynä kaupalliseen aurinkopaneeliin, joka kykenee syöttämään 200 luksin valaistuksessa 16 µA virran.

Ympäristöstä kerätty energia varastoidaan yleensä kondensaattoriin tai ladattavaan akkuun sovelluksen vaatimuksista riippuen. Kondensaattorilla on akkua alhaisempi energiatiheys, joten se kykenee varastoimaan vähemmän energiaa tilavuusyksikköä kohti (kuva 3). Siksi lisäakun avulla aikaansaatu varmistus voi olla paikallaan aurinkokennoja hyödyntävissä sovelluksissa, joiden täytyy säilyä aktiivisina pitkiä aikoja, kun ympäristöstä ei odoteta saatavan valoa lainkaan.

Kuva 3. Akkujen ja kondensaattorien vertailu energian varastointivälineinä.

Energian varastointitavan valinnassa tuli aina myös miettiä järjestelyjä sekä akun varaamisen että purkamisen hallintaan. Akku tulee suojata ylilataukselta ja syväpurkamiselta, mikä saattaa vaatia hakkuriregulaattorin käyttämistä, jolloin tarvitaan ylimääräinen mikropiiri sekä sitä varten ulkoisia komponentteja. Toisaalta jännitekestoisuudeltaan sopiva kondensaattori ei vaadi lainkaan latauspiiriä tai suojauskomponentteja. Kummassakin tapauksessa tarvitaan kuitenkin lähtöjännitteen vakautusta.

RSL10-anturialustaan on sisällytetty matalaprofiilinen 47 µF kondensaattori ja jännitteen vakautusta varten ON Semiconductorin NCP170-piiri. Kyseessä on yksinkertainen vähäisen jännitehäviön synnyttävä (LDO) lineaariregulaattori, jonka lepovirta on äärimmäisen alhainen. Sen ansiosta voidaan minimoida ympäristöstä kerätyn arvokkaan energian vuotaminen hukkaan. Lisäksi kaikki alustakortille valitut piirit on valittu joko alhaista tulojännitettä tai laajaa syöttöjännitealuetta silmällä pitäen yksinkertaisen reguloinnin mahdollistamiseksi.

Energiavarastona käytettävä kondensaattori antaa mahdollisuuden alustan käyttöönottoon paikoissa, joissa ympäristön valaistus on melko voimakas eikä pitkiä pimeitä jaksoja ole odotettavissa. Tällaisissa oloissa jatkuva toiminta on mahdollista.

Moduuli on varustettu RF-lähetysohjelmistolla, jonka avulla anturidataan ja järjestelmän tilaan liittyvät tiedot (kuten varastokondensaattorin jännitetaso) voidaan lähettää eteenpäin hyödyntäen Bluetooth 5:n beacon-toimintamuotoa. Tämä laiteohjelmisto on yhteensopiva iOS- ja Android-käyttöjärjestelmien BLE Scanner -sovellusten kanssa.

Energiakuilu umpeen

Sulautettujen järjestelmien tyypillisen tehontarpeen ja energiankeruujärjestelmien tuotantokyvyn välille jääväenergiakuilu voidaan nyt täyttää. Uudet keruujärjestelmät ovat entistä tehokkaampia keräämään energiaa lähiympäristöstä.

Suurin kiitos kehityksestä kuuluu kuitenkin ultrapihien puolijohdetekniikoiden jatkuvalle kehitystyölle sekä erittäin tehokkaille radiotekniikoille kuten Bluetooth LE:lle. Niiden ansiosta paristottomat IoT-solmulaitteet ovat nyt mahdollisia.

Täysin käyttövalmis monianturipaketti RSL10 puolestaan osoittaa, että paristottomien anturisolmujen hyödyntäminen on nyt mahdollista IoT-järjestelmien käyttöönotossa hyvin laajassa mittakaavassa.