Majakaksi kutsutaan anturilaitetta, joka lähettää keräämänsä datan eteenpäin matalatehoisen bluetoothin avulla. Tällainen laite voi myös itse kerätä tarvitsemansa energian.

Älypuhelimista on tullut yhdyskäytävämme informaatioon. Ne vaikuttavat elämäämme reaaliajassa niin terveyteen, ympäristöön kuin ostokäyttäytymiseen liittyvissä kysymyksissä. Tämä informaatio täytyy ladata ei se pitää saada joka yhteydestä toiseen laitteeseen tai hakemalla verkosta. Tämä edellyttää sitä, että käyttäjä käynnistää jonkin toiminnon halutessaan dataa. Ratkaisu on järjestelmä, joka pystyy työntämään (push) viestejä käyttäjälle reaaliajassa. Koska älypuhelin on yksi parhaista tavoista lähettää käyttäjälle dataa, järjestelmän täytyy toimia ongelmitta. Tässä majakat (beacons) astuvat kuvaan mukaan.

Majakka on järjestelmä, joka lähettää viestejä niin että ne vastaanotetaan lähellä oleviin laitteisiin. Majakat mahdollistavat helpon datan lähettämisen käyttäjän laitteeseen ilman tämän väliintuloa. Älypuhelimen kaltaiset laitteet tukevat useita tekniikoita, joita käytetään majakan toiminnallisuuden mahdollistamiseksi. Majakoiden laajamittaisen käyttöönoton varmistamiseksi BLE:stä (bluetooth low energy) on tullut majakoiden viestinnän itseoikeutettu valinta ominaisuuksiensa – suuri laitevalikoima, yhteensopivuus, alhaiset käyttöönottokustannukset ja alhainen tehonkulutus – ansiosta.

BLE:tä käytetään pienitehoiseen langattomaan tietoliikenteeseen sovelluksissa, jotka edellyttävät datan lähettämistä suhteellisen pienellä säteellä. Esimerkiksi anturin data lähetään älypuhelimeen. Tyypillinen sovellus näkyy alla.

Kuva 1. Datan kulku tyypillisessä BLE-anturisovelluksessa.

Näiden majakoiden täytyy saada virtansa lähteestä, joka mahdollistaa jatkuvan toiminnan ilman, että kasvattaa laitteen kokoa. Virran saaminen johtoa pitkin ei yleensä ole mahdollista, koska laitteet sijaitsevat hankalissa paikoissa. Paristovirta taas tuo mukaan kysymyksiä toiminta-ajasta, uudelleen lataamisen tarpeesta ja myös syntyvän jätteen takia.

Jotta majakat eivät vaatisi ylläpitoa, niiden täytyy hyödyntää ympäristöstä kerättävää energiaa: valoa, liikettä, painetta tai lämpöä. Tämä mahdollistaa majakoiden ”asentamisen ja unohtamisen”, missä majakat saavat riittävästi virtaa koko elinkaarensa ajan.

Energiankeruu on menetelmä, jolla kerätään pieniä määriä energiaa ympäristöstä ja varastoidaan se. Varastoitu energia antaa laitteelle virran, kerää anturidatan ja lähettää sen BLE:n yli.

Kuva 2. Energiakeruuanturisolmun lohkokaavio.

Energiankeruujärjestelmä (EHS) on piiri, joka sisältää energiankeruulaitteen (EHD), energiakeruun tehohallintapiirin (PMIC) ja varastointilaitteen. PMIC-piiri valuttaa varauksia varastointilaitteeseen (tyypillisesti kondensaattori) jonkin EHD-laitteen tuottamalla energialla, kuten aurinkokennosta, tärinäanturista tai pietsosähköisestä laitteesta. EHS-järjestelmä käyttää tätä varastoitua varausta syöttääkseen energiaa toiselle sulautetulle laitteelle.

Langattoman anturisolmun tilasta riippuen EHS:n lähtöteho vaihtelee. Aktiivisena energiaa kuluu ja EHS:n jännitetaso alkaa pudota. Matalan tehonkulutuksen tilassa EHS:n jännite nousee, koska varastointilaite saa virtaa. Alla oleva kuva esittää esimerkkiä EHS-laitteen jännitteen muutoksista sulautetun laitteen aktiivisuuden mukaan.

Kuva 3. EH-lähdön muuttuminen laitteen aktiivisuuden mukaan.

Jotta laite voisi saada virtansa energiankeruulaitteella, sen aktiivitilassa kuluttaman energiantarpeen ei saisi ylittää EHS:n tarjoamaa määrää. Kuva 4 näyttää EHS:stä virtansa saavan järjestelmän, joka energiakulutus aktiivitilassa on suurempi kuin EHS-laitteen tuottama energia. EHS-laitteen lähtöjännite putoaa hitaasti kulutuksen takia ja lopulta lähtö sulkeutuu kokonaan.

Kuva 4. Langaton anturisolmu sammuu, koska virtaa ei riitä.

Tällaisessa järjestelmässä on monia alijärjestelmiä, jotka voivat olla tehosyöppöjä ja jotka pitää optimoida, jotta ne eivät kuluta energiaa yli keruulaitteen tuottaman määrän. Avainkohteita tehonkulutuksen optimoinnissa on useita.

CPU-kellotaajuus

Järjestelmän kellotaajuus sanelee, kuinka nopeasti tietty rutiini prosessoidaan ja kuinka paljon energiaa prosessi tänä aikana kuluttaa. Nopeampi kello tarkoittaa nopeampaa prosessointi, mutta myös suurempaa tehonkulutusta. Jokaisella laitteella on lisäksi minimi- ja maksimikellotaajuutensa, joita ei saa alittaa/ylittää.

EHS-pohjaisissa suunnitteluissa optimoitu kellotaajuus pitää valita seuraavien tekijöiden perusteella:

a) keskimääräinen virrankulutus
b) maksimivirrankulutus

EHS-kapasiteetin pitää ottaa nämä molemmat tekijät huomioon. Keskimääräinen virrantarve on aktiivitilassa tarvittu keskimääräinen virta. Maksimivira on aktiivitilan äkillinen maksimivirta, joka usein on paljon suurempi kuin keskimääräinen virrantarve. Voi olla, että keskimääräinen virta on hyvin EHS:n kapasiteetin saavutettavissa, mutta maksimivirta aiheuttaa EHS:n energian nopean ehtymisen, mikä saa jännitteen putoamaan sulkujännitteen (cutoff voltage) alle.

Kuvat 5 ja 6 näyttävät tehon suhteessa aikaan tietyssä rutiinissa kahdella eri järjestelmän kelllotaajuudella, ensin 48 megahertsissä ja sitten 12 megahertsissä.

Kuva 5. Virrankulutus, kun rutiinia prosessoidaan 48 megahertsin kellotaajuudella.

Kuva 6. Virrankulutus, kun rutiinia prosessoidaan 12 megahertsin kellotaajuudella.

48 megahertsin kellolla rutiinin prosessointi vie noin 300 mikrosekuntia ja virrantarve on enimmillään 10 milliampeeria tänä aikana. 12 megahertsin kellolla rutiinin loppuun saattaminen kestää 1,1 millisekuntia, mutta virrankulutushuippu jää vain 4 milliampeeriin. Keskimääräinen virrankulutus on 12 megahertsin taajuudella suurempi, mutta maksimivirrantarve on pienempi. Riippuen EHS-laitteen kapasiteetista järjestelmä voidaan ohjelmoida lyhyeen 48 megahertsin jaksoon tai pidempään 12 megahertsin asetukseen, tai näiden sekoitukseen, jossa kellotaajuus vaihtuu prosessista toiseen.

Matalatehoisen laitteen käynnistys

Kun sulautettuun laitteeseen syötetään virtaa, se käy läpi käynnistysproseduurin ennen kuin se voi suorittaa sovelluskoodia. Tämä vie aikaa CPU:lta, mikä puolestaan kuluttaa energiaa. Kulutetun energian määrä riippuu laitteesta, järjestelmän kellotaajuudesta, muistin koosta ja siitä, kuinka kauan aikaa ulkoisten kellojen asettaminen vie. Käynnistysjakson koodia kirjoitettaessa pitäisi kiinnittää huomio näihin tekijöihin:

a) Käynnistä vain ne osat muistista ja rekistereistä, joita käytetään. Jätä muut oletusarvoihinsa.

b) Useimmat langattomat järjestelmät tarvitsevat hyvin tarkkoja ulkoisia kelloja. Ulkoisessa oskillaattorissa tai kideoskillaattorissa on pitkä vakautusaika käynnistyksen jälkeen. Sen sijaan, että odottaisi kellojen vakautumista aktiivitilassa, järjestelmä pitäisi asettaa matalan tehonkulutuksen tilaan ja herättää vasta, kun kellot ovat käytettävissä.

Matalatehoisen järjestelmän käynnistäminen

Kun laite alkaa suorittaa sovelluskoodia, on tarve käynnistää yksittäiset oheislaitteet järjestelmässä. Nämä oheislaitteet voivat olla laitteen sisäisiä, kuten AD-muunnin, tai ulkoisia kuten esimerkiksi anturi. Käynnistysaika ei ole pitkä yksittäisille oheislaitteille, mutta yhdessä käynnistysjakso voi viedä niin paljon prosessointiaikaa, että EHS-laitteeseen varastoitu energia kuluu siihen kokonaan.

Vaiheistettu sovellusprosessointi

Laitteella on erilaisia sovellusrutiineja, jotka vaativat kukin oman CPU-kaistanleveytensä. Rutiinit voivat käsittää oheislaitteen konfiguroinnin, anturidatan vastaanoton, laskelmien tekemisen ja tapahtumien tai keskeytysten hallinnan. Pitää varmistaa, ettei tämän prosessoinnin vaatima energia ylitä EHS:n kapasiteettia. Mikäli näin käy, pitää rutiinit pilkkoa pienemmiksi alirutiineiksi ja suorittaa ne vaiheittain.

Lisäksi järjestelmä pitää jokaisen vaiheen välissä asettaa alhaisen tehonkulutuksen tilaan niin, että käynnistyslähde on keskeytys ajastimesta tai vahtikoirasta (Watchdog). Koska järjestelmän täytyy pysyä tässä tilassa suuren osan ajasta, tilan virtavaatimuksen pitäisi olla mahdollisimman alhainen.

Langaton lähettäminen

Kun data on kerätty, se lähetetään BLE:n yli. Tämä lähetys voidaan tehdä BLE-yhteyden yli tai BLE-broadcast-lähetyksenä, vaikka energiankeruuta tukeva majakointi (beaconing) on rajoitettu vain ns. BLE-mainostukseen. Näin on, koska BLE-yhteyden muodostamiseen kuluu paljon energiaa ennen kuin sitä voidaan käyttää datan lähettämiseen.

Pitää myös varmistaa, että BLE-toiminnot tapahtuvat itsenäisinä prosesseina, jotka ryhmitetään muiden prosesseihin vain, mikäli EH-lähtöteho tuottaa riittävästi huipputehovirtaa.

Cypressin tehonhallintapiiriin perustuvat energiankeruulaitteet mahdollistavat paristottoman tekniikan langattomille antureille ja verkoille. Niitä voidaan käyttää ainoana virranlähteenä tai yhdessä esimerkiksi litiumionipariston kanssa laitteen toiminta-ajan pidentämiseksi. EH-laite voi käynnistyä pienestä jännitteestä ja sovittautua sovelluksen virrantarpeeseen. Joissakin piireissä, kuten MB39C831-piirillä, on sisäänrakennttu maksimivirtapisteen seuranta (MPPT, Maximum Power Point Tracking). Sen avulla sisäinen DC-DC-muunnin voi kontrolloida lähtötehon lataamista seuraamalla tulotehoa, mikä maksimoi käytettävissä olevan tehon määrän. MB39C811:n kaltaiset tehonhallintapiirit tukevat kahta energiankeruutuloa, joten virtaa voidaan tuottaa samanaikaisesti kahdesta eri lähteestä.