Hankalassa paikassa sijaitsevan anturin pitäisi tulla toimeen itse keräämällään energialla. Mutta paljonko anturi energiaa tarvitsee? Millä keinoin se kerätään? Miten se varastoidaan?

Artikkelin kirjoittaja Cristian Toma valmistui Bukarestin polyteknisestä korkeakoulusta vuonna 2006. Hän aloitti uransa romanialaisessa Intraromissa testausteknikkona, mutta siirtyi jo seuraavana vuonna Microchipin palvelukseen sovellusinsinööriksi. Keväällä 2012 hänet nimitettiin vanhemmaksi sovellusinsinööriksi Microchipin Bukarestin suunnittelukeskuksessa. Hän on ollut tekemässä useita artikkeleita langattomista tekniikoista sekä energiankeruun järjestelmistä.

Langattomien anturisolmujen sähköistämisen energiankeruulla ei tarvitse olla monimutkaista eikä kallista. Kun valitsee huolellisesti sopivan tietoliikenneprotokollan, datanopeuden sekä hyödyntää uusimpien RF-piirien tehonsäästötoimintoja, voi tehonkulutuksessa säästää merkittävästi. Tuloksena on langaton anturi, joka voi operoida lähes loputtoman kauan ilman ihmisen huolehtimista.

Tässä artikkelissa esiteltäviä yksinkertaisia energiankeruun tekniikoita voidaan käyttää huoltovapaiden langattomien toteutukseen kustannustehokkaissa verkkosovelluksissa kuten älykodeissa, rakennusautomaatiossa ja M2M-tietoliikenteessä.

Vaikka langattoman verkon kustannukset usein perustuvat laitteistoon, muut tekijät voivat kasvattaa kustannuksia. Näihin voivat kuulua lisälaitteistot ja -ohjelmistot, sertifioinnit erilaisia standardeja varten kuten zigbee ja bluetooth sekä myös rojaltikustannuksia.

Energianlähteet

Langattoman anturin keräämän energian määrää rajoittaa tyypillisesti kustannus ja koko. Siksi on keskeisen tärkeää varmistaa, että anturin kuluttama energianmäärä ja langattoman lähettimen energiantarve on pienempi kuin se määrä energiaa, joka voidaan keräämällä valjastaa käyttöön.

Energiaa voidaan kerätä useista eri lähteistä, joista yleisin on auringonvalo. Aurinkopaneeleita on olemassa suurista lukuisten kennojen paneeleista pieniin kennoihin, joita käytetään sähköistämään pieniä laitteita kuten laskimia ja leluja.

Muita energianlähteitä ovat radioaallot, jotka antenni vastaanottaa ja jotka muunnetaan sähköenergiaksi, sekä sähkömagneettinen energia, joka kerätään induktorikäämin lähelle liikkuvasta magneetista. Myös lämmön vaihteluita voidaan käyttää termosähköisen energian keruuseen Seebeck-ilmiön avulla.

Kysymys yhteensopivuudesta

Yleiset langattomat protokollat kuten zigbee tai bluetooth tulevat ensimmäisinä mieleen, kun mietitään mitä langatonta tekniikkaa voisi käyttää energiakeruuta hyödyntävässä laitteessa. Kaikissa suunnitteluissa ei kuitenkaan tarvitse valita teollisuusstandardin kaltaisen langattoman protokollaan kustannuksia tai sen monimutkaisuutta. Valinta perustuu siihen, kuinka paljon yhteensopivuutta suunnittelulta edellytetään. Esimerkiksi matkapuhelin langaton kuuloke vaatii lähes varmasti laajaa yhteensopivuutta kun taas yksinkertainen RF-kaukosäädin ei sitä tarvitse.

Sertifioinnin hinta

Mikä tahansa langattoman anturin sisältävä suunnittelu tarvitsee FCC- tai CE-sertifioinnin, joten tämä kustannus tulee kaikille laitteille. Erikoisstandardia varten hankittavan standardisoinnin kustannus on kuitenkin tyypillisesti korkeampi kuin FCC- tai CE-sertifiointi ja sen hinta on usein helppo aliarvioida.

Langattoman standardin toteutuksen kustannus tulee paljon peruslaitteistoa ja ohjelmistokustannuksia kalliimmaksi. Ennen yhdenmukaisuuden testaamista (compliance) suunnittelu täytyy luultavasti viedä esitestaamisen läpi. Näiden testien vaatiman laitteiston vuokraaminen voi maksaa 750 dollaria kuukaudessa. Sen lisäksi tulee varsinaisen sertifiointiprosessin kustannus, johon tyypillisesti sisältyy yhdenmukaisuustestaaminen, profiilitestaaminen ja sopivat laitteiston analyysityökalut.

Kaikkiaan nämä testit nostavat esimerkiksi zigbee-laitteen sertifioinnin kustannukset noin 3000 dollariin. Sen lisäksi mukaan voi tulla vuotuisia jäsenyyskustannuksia sekä sirukohtainen rojaltimaksu.

Sertifioinnin vaikutus yksittäisen tuotteen hintaan riippuu sen myyntivolyymistä. Mikäli tuotteen laitekustannukset ovat 1-1,5 dollaria kappaletta kohti ja tuotetta valmistetaan 10 000 kappaletta, FCC-sertifiointi käytännössä kaksinkertaistaisi tuotteen myyntihinnan. Sertifiointi RF-standardia varten – mukaan lukien standardinmukaisuuden esitestaus – sertifiointiprosessi ja RF-testauslaitteet, voi helposti nostaa kustannukset yli 10 000 dollarin.

Tehonoptimointi

Tehonkulutuksen tehokas hallinta on kriittistä langattomassa anturissa, joka saa virtansa energiankeruusta. Se vaikuttaa kaikkiin suunnitteluun liittyviin päätöksiin. RF-lähetyksen konfigurointiin kannattaa kiinnittää erityishuomiota, jotta järjestelmä välttyy tarpeettomalta tehonkulutukselta. Parametrit kute modulointitekniikka (tai -skeema), datan lähetysnopeus ja RF-antoteho antennille vaikuttavat kaikki kokonaistehonkulutukseen. Yleisenä ohjeena voi sanoa, että lyhyemmät aktiivisen toiminnan ajanjaksot johtavat pienempään keskimääräiseen tehonkulutukseen. Tämän perusteella voi olla syytä varmistaa, että kaikki suunnittelun osat ledistä mikro-ohjaimeen tai radioon viettävät mahdollisimman kauan aikaa matalan tehonkulutuksen tilassa.

Teho vs datanopeus

Suuremman datanopeuden käyttäminen tarkoittaa, että tehoa kuluuu enemmän. Toisaalta lyhyemmät datapaketit pienentävät energiankulutusta. Käytetty modulointitapa vaikuttaa myös energiankulutuksen hallintaan. ASI- tai OOK-moduloinnit käyttävät vähemmän energiaa, koska tiettyinä aikoina RF-teho pienenee ASO-moduloinnissa, tai putoaa nollaan OOK-modulaatiossa. Keskimääräinen virrantarve on myös lahaisempia ASK-moduloinnissa. Tästä huolimatta suositeltu modulointi on FSK, koska sillä päästään merkittävästi suurempiin datanopeuksiin.

Jos tarvitaan vain perustason yksisuuntaista datansiirto, suunnittelussa voidaan käyttää yksinkertaista RF-lähetintä. Mikäli tavoitteen on esimerkiksi IEEE 802.15.4-standardin mukainen sertifiointi, on usein syytä valita erikoistunut ohjain. Esimerkiksi Microchipin PIC12LF1840T48A-mikro-ohjaimessa on integroitu lähetin, joka tukee 10 kilobitin (sekunnissa) datanopeutta OOK-moodissa ja 100 kilobitin nopeutta FSK-moodissa. Korkeammilla datanopeuksilla RF-vastaanotin voi myös vastaanottaa ja dekoodata FSK-signaaleja paljon tehokkaammin kuin ASK-modulaatiolla.

Tehonkulutuksen hallinta

Mikro-ohjaimen matalatehoisia sammutustiloja voidaan myös käyttää minimoimaan energiankulutusta. Taajuus, jolla anturin pitää lähettää dataa riippuu kunkin sovelluksen vasteajasta. Aktiivisten toiminta-aikojen välin pidentäminen tarkoittaa, että ohjain viettää enemmän aikaa matalan tehonkulutuksen tilassa ja siksi pienentää keskimääräistä tehonkulutusta.

Virrankulutusta määrittää myös sen datan tyyppi, mitä anturi sieppaa lähetysten välissä. Esimerkiksi datan vastaanottaminen operaatiovahvistimilta tai silta-anturilta vaatii suhteellisesti enemmän virtaa kuin mitä RF-datan lähetyksessä käytetään.

Energiankulutuksen laskeminen

Esimerkkisuunnittelu, jonka tehonkulutusta laskemme, perustuu Microchipin PIC12LF1840T48A-ohjaimeen. Sen integroidun lähettimen maksimitaajuus yltää aika 200 kilohertsiin asti, mikä sallii maksimissaan 100 kilobitin maksimidatanopeuden sekunnissa.

Käyttämällä pientä datapakettia, jossa on 16-bittinen alkumerkki (preamble), 16-bittinen synkronointikuvio/sana ja 32-bittinen kuorma (payload), voidaan yksi kokonainen datapaketti lähettää vain 640 mikrosekunnissa. Kun energia mitataan jouleina, saadaan:

1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s

Yhden datapaketin lähetyksessä kulutettu energia saadaan laskemalla:

E = 10,5mA * 640µS -> 10.5mA * 3,0v * 640µS = 31,5mW * 640uS = 20,16µJ

Kideoskillaattorin käynnistysaika on tyypillisesti 650 mikrosekuntia, ja se vaatii käynnistyksessä 5 milliampeerin virran. Käynnistystehon kulutus lasketaan siten:

E1 = 5mA * 3,0v * 650µs = 9,75µJ

Datanlähetys esimerkkisuunnittelussa koostuu 16 bitin alkumerkistä, 16 bitin synkronointikuviosta ja 32 bitistä dataa. Valitulla 100 kbps datanopeudella lähetysajaksi tulee 640 mikrosekuntia. RF-lähetys +0 desibelillä 868 megahertsin taajuudella ja FSK-moduloinnilla virrankulutukseksi tulee 12 milliampeeria.

E2 = 12mA * 3v * 640µs = 23,04µJ

Käyttämättä yksinkertaista lähetystä 10 kbps nopeudella energiaa kuluisi:

E2 = 7,5mA * 3v * 6.40ms = 144µJ

Tämä vertailu osoittaa eroavaisuudet energiankulutuksessa ja vahvistaa korkeamman datanopeuden käyttämisen merkitystä.

PIC12LF1840T48A-lähetin siirtyy automaattisesti matalan tehonkulutuksen tilaan lähetettyään viimeisen databitin. Jos minimiaika levossa on kaksi millisekuntia, lisäenergiankulutukseksi tulee:

E3 = 12mA * 3v * 2ms = 72µJ

Laskutoimitusten jälkeen yhden datapaketin lähettäminen kokonaistehonkulutus on:

E = E1 + E2 + E3 = 9,75µJ + 23,04µJ + 72µJ = 104,79µJ

Minikokoisen aurinkokennon, joka generoi 4,5 mikroampeerin virran 3 voltin jännitteellä, täytyy olla aktiivinen sen aikaa, että se tuottaa tarpeeksi energiaa yhden datalähetyksen tarpeiksi. Halpa aurinkokenno tuottaa tehoa vain 120 mikrowattia (3V, 40 µA):

3V * 40µA = 120µW

Laskutoimitus sen määrittelemiseksi, paljonko aikaa tarvitaan keräämään riittävästi energiaa yhtä datalähetystä varten:

T = 104,79µJ / 120µW = 0,87s

Tämä osoittaa, että anturipiirin pitää odottaa 0,87 sekuntia peräkkäisten datalähetysten välillä olettaen, että aurinkokennolla on jatkuva valonlähde. Todellisissa sovelluksissa luonnonvalo, joka on energian ensisijainen lähde, on tarjolla vain päiväsaikaan. Laskenta täytyy siis laajentaa ottamaan huomioon se, että energiankeruujärjestelmän täytyy varastoida päivän aikana kerätty energia niin, että sitä voidaan käyttää yön aikana. Toinen huomioon otettava seikka on se, että laskelmissa ei ole mukana se energia, jota itse anturimittausten tekemisiin tarvitaan.

Energian varastointi

On olemassa erilaisia vaihtoehtoja sille, miten päiväsaikaan kerättyä energiaa voidaan varastoida. Näihin kuuluu esimerkiksi superkondensaattorin käyttäminen varastointielementtinä, tai edullisten uudelleenladattavien NiMH-akkujen lataaminen suoraan aurinkokennosta. Joissakin harvoissa sovelluksissa, joissa energianlähde on jatkuva, varastoinnille ei ehkä ole tarvetta.

Energiakeruu käytäntöön

Pääasiallinen etu energiankeruun hyödyntämisestä matalatehoisissa langattomissa anturisolmuissa ei ole välittömien kustannusten aleneminen vaan säästö pitkäaikaisessa ylläpidossa. Nämä säästöt ovat erityisen käyttökelpoisia, mikäli anturit sijaitsevat hankalissa paikoissa tai mikäli verkkoon kuuluu suuri määrä solmuja. Molemmissa tapauksissa energiankeruulla voidaan sähköistää langatonta anturia lähes loputtomiin, ilman ihmisen puuttumista asiaan.

Energiankeruusta on tulossa yhä toimivampi ratkaisu langattomien anturien virranlähteeksi erityisesti sellaisissa verkoissa, jotka eivät perustu verkkostandardeihin kuten zigbee tai wifi. Lisäksi energianlähteiden määrä kasvaa koko ajan: valo, lämpö, radioaallot mekaaninen energia, ja viime aikoina jopa verensokeri.

Energiankeruun onnistunut toteuttaminen langattomalle anturille edellyttää huolellista anturin tehonkulutuksen kontrollia. Tämä voidaan saavuttaa valitsemalla sopivin tietoliikenneprotokolla ja datanopeus, ja käyttämällä kaikkia RF-piiriin integroituja tehonsäästötoimintoja, joita esimerkiksi Microchipin PIC12LF1840T48A-ohjaimesta löytyy.