CC BY
13
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018. Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018.
ЗАХРАНВАНЕ НА РЕСУРСНО-ЧУВСТВИТЕЛНИ СМАРТ УСТРОЙСТВА ЧРЕЗ ЕНЕРГИЙНО УПРАВЛЕНИЕ И СЪБИРАНЕ НА ЕНЕРГИЯ Янислав Г. Картелов, Недялко T. Катранджиев УХТ - Пловдив България
POWERING OF RESOURCE-CONSTRAINED DEVICES WITH ENERGY COLLECTION AND ENERGY HARVESTING Ianislav G.Kartelov,Nedyalko T. Katrandzhiev UFT - Plovdiv Bulearia
Abstract
Development of microelectronics has achieved significant advance in the past years. Current devices are much smaller in size, modules are noise insensitive and stable, together with low and ultra-low power demands. However, with the same or even greater magnitude is increased the number of such devices, being active and operational, exceeding the human population, there is a need to aware power needs of resource-constrained devices and power then through means other than disposable batteries. Harvesting ambient energy from the vicinity of the device is one solution. If parts of the installed devices could be self-sufficient, powered through ambient energy, through which the development of new services, data collection, data transfer and data interpretation can be realized.
Key words: internet of things, smart devices, energy harvesting, ambient energy, zero-energy, low power, ultra-low power, energy consumption profile, low power MCU, sleep mode, deep sleep, heartbeat.
Въведение
В последните години е достигнат брой от над милиард смарт сензорни устройства, които непрекъснато детектират и предават данни към Интернет. Те формират част от ядрото на мрежово свързани смарт обекти. Успешното развитие в тази насока предполага създаването на сензори и смарт обекти, автономно захранвани и реализиращи безжична комуникация. Продължителността на живот с батерийно захранване е в рамките на години.
По този начин е възможно да бъдат създадени архитектури „нулева енергия". За целта е необходимо да се оценят и съгласуват множество фактори при дизайна, такива са предназначението, нискоенергийните режими на работа на хардуера, микроконтролера, радио трансиверите, ефективни протоколи използвани от софтуера, както в активен режим на измерване или предаване, така и при изчакване. Настоящата работа предлага разглеждане на обобщен модел на мрежово свързано смарт устройство, като се цели обхващане на аспекти от дизайна на архитектурата, които са определящи за профила на реализираната енергийна консумация и средства за енергийно събиране. Модел на мрежово свързано смарт устройство
Мрежово свързаните смарт обекти в момента имат множество области на приложение, който ще се увеличават допълнително и в бъдеще. Широкият спектър прави
невъзможно да се обхванат всички възможни приложения, като се предложи единен оптимален дизайн на архитектура за реализиране на устройствата. Въпреки това, присъстват определени функционални блокове, които са подобни при различните реализации и те биха могли да се посочат като обобщен модел на смарт устройство (фиг. 1).
Акт+оатори ■ и ДР- р
Фиг. 1. Обобщен модел на мрежово свързано смарт устройство Посочени са блокове представляващи съответно: източник на енергия, блок за управление на захранването, микроконтролер, трансивер, сензорна група, група с актюатори и
възможни други устройства.
Обособени са източник на енергия, консуматори и блок за управление на захранването. Микроконтролера управлява разходването на енергия от останалите консуматори, като трансиверите и сензорите, като се нуждае от консумация и за собствени нужди. Регистрираните данни се предават безжично към агрегатори, събиращи и съхраняващи системи, сървъри и дори други безжични клиенти в мрежата. Тук се включват също и различните варианти на захранващи източници, в т.ч. и възможността за събиране, чрез електрически преобразуватели на енергия от околната среда.
Освен вградените в микроконтролерите функции по контрол на захранването, в състава на предложената архитектура могат да участват и специализирани интегрални схеми. Целта за използването на такива е да се управлява работата на електрическите преобразуватели и защитават консуматорите от нелинейния характер на доставяната енергия. Управлението на подобна система е свързано със затруднения, поради ниската възможност за предвиждане на източника, чиято входна мощност често варира в пъти в диапазона 1^W до 100mW. Изходното напрежение, доставяно към консуматорите се регулира с използване на ефективни линейни регулатори с възможност за настройка на фиксирани нива като 3.3V, 2.3V, 1.8V. Необходимо е да се поддържат различните режими на висока или ниска консумация, с цел да се намали разреждането на микроенергийните клетки. Регулаторът подържа напреженова защита от пълно разреждане на акумулаторите. Примери за това са MAX17710 на Maxim, LTC3588-2 на Linear Technology, BQ25504 на Texas Instruments. Посочените интегрални схеми предлагат съгласуване по импеданс и режим на работа с електрически преобразуватели с възможности за превръщане на енергията от близката околната среда в полезна електрическа енергия. По-сложните решения включват режими за динамично следене и адаптиране към товара, на изменящите се във времето характеристики на преобразувателя. Режима се нарича следене на максималната точка на мощност. Резултати
С използване на посочените специализирани интегрални схеми както и други, които са разработени за постигане висока ефективност при определени условия, могат да се
реализират стабилно и предвидимо работещи енергийни подсистеми със събиране на енергия от околната среда. Това може да става дори и при ниски и непостоянни нива на добиваната енергия. Заедно с оптимизиране в ефективността на енергийната подсистема за успешното реализиране на мрежово свързано смарт устройство е необходимо да се подберат и използват и останалите компоненти с възможно най-ниска консумация и висока ефективност. Енергиен профил
При нормален режим на работа, типично мрежово свързано смарт устройство преминава през по-продължителни периоди на изчакване и пикови периоди на регистриране чрез сензорите, обработка или предаване на данни. Конкретната продължителност на посочените периоди силно зависи от предназначението на устройството и може да варива в изключително широки граници. Средно енергийната консумация зависи от стойностите на консумация в определените периоди и техният ред и продължителност. За целите на настоящата разработка ще разгледаме устройство, което работи с интервали в близкия херцов диапазон - 1 Hz, т.н. „сърдечен пулс" (heartbeat). Така конфигурирани устройства, са подходящи за моделиране на бавно протичащи или изменящи се процеси и такива които са в отношение с човешката жизнена среда, като характеристики на околната среда, жизнени показатели и др. Енергийната консумация на мрежово свързаното смарт устройство е съставена от пикове с високо потребление следвани от по-дълги периоди на изчакване.
Безжичната комуникация най-често е основен компонент при пиковете с висока консумация, поради по-голямата продължителност. Използваните протоколи за безжично предаване на данни, както и формата на самите предавани съобщения определят количеството на необходимата енергия. Заедно с това, може да бъде постигната оптимизация и чрез използването на по-ефективен хардуер, участващ в радио частта на трансивера с намалена консумация на ток по време на предаване. AT86RF233 на Atmel работи в 2.4 GHz обхват и изисква само 13.8 mA в режим на предаване с максимална мощност, 11.8 mA в режим на приемане и само 20 nA в неактивен режим (deep-sleep). Високочестотните трансивери напр. 2.4 GHz реализират по-високо количество на предаваните данни, което намалява необходимото време на предаване. В под-гигахерцовия обхват, например CC1000 RF на Texas Instruments, който работи на 433 MHz, се постига по-голям обхват с ниска енергийна консумация от 5.3 mA при 0.01 mW предавана мощност или 26.7 mA при 10 mW. Профила на консумация на трансивера до голяма степен формира общия профил на консумация на устройството. Оптимизиране на консумацията при режим на изчакване
В периодите на изчакване основен и понякога единствен консуматор е микроконтролера. За приложения, които моделират бавно изменящи се процеси или такива със съкратена необходимост от комуникация е възможно режима на изчакване да съставлява основния разход на енергия. Типично добиваната от преобразуватели енергия превъзхожда използваната в режима на изчакване, но акумулирането на остатъчното количество е съществено за стабилната работа на устройството при всички режими на работа.
Производителите предлагат ниско-енергийни модели във фамилиите процесори в класовете 8 до 32 битови. AVR ATtiny е 8 битов микропроцесор на Atmel с тактова честота от 1 MHz и работно напрежение от 1.8 V. Консумацията в активен режим е 200 ^A, а в режим на изчакване е 25 ^A и по-малко от 0.1 ^A в изключено състояние. RL78/G13 на The Renesas е 16 битов микропроцесор с работно напрежение от 1.6 V. Консумираният ток в работен режим е само 66 ^A при тактова честота от 1 MHz и 0.23 ^A в режим на изчакване, с опресняване на RAM паметта. STM32 L0 процесорната фамилия на STMicroelectronics е базирана на ниско-енергийното ARM Cortex-M0+ 32 битово ядро, с работно напрежение от 1.65 V и консумиран ток от 87 ^A при тактова честота от 1MHz в работен режим и 250 nA в нискоенергиен режим на изчакване. Разширен набор отработни режими
При разработване на дизайн за смарт устройство, с повишени изисквания за нискоенергийна консумация, каквито са и повечето решенията със събиране на енергия, разработчиците могат да използват по-разширени възможности за настройване на работата на устройството.
Tаблица 1. Режими на работа на микроконтролер* с възможности за ниска консумация
Режим на работа на Процесор Флаш памет SRAM Периферия
процесора
Run Работи работи работи работи
Doze работи ** работи работи работи
Idle изключено работи работи работи
Sleep изключено изключено работи изключено
Deep-sleep изключено изключено изключено изключено***
*16 битов микроконтролер на Microchip базиран на фамилията PIC XLP 24F **работи с намалена честота спрямо периферията
*** изключено, функционира единствено система с таймер за събуждане
Табл. 1, посочва пример на различни режими на работа. Примера е за 16 битов микроконтролер на Microchip базиран на фамилията PIC XLP 24F. С комбинация от различните режими на този 1.8V микроконтролер, използвания ток може да варира от 150 цА при работна честота от 1 MHz в работен режим до 80 цА в режим на изчакване и 20 nA при изключено състояние (deep-sleep). Подобни различни режими на работа са налични и в процесорните фамилии с ниска консумация на други производители. ARM Cortex-M0+ базираните микроконтролери изискват 114 цА при 1 MHz тактова честота, 46 цА при режим на изчакване, 0.9 цА в режим, при който работи само таймер и 20 nA в изключено състояние.
Актуални, постигнати към момента са работни напрежения от 1.3 V до 0.9 V с консумация на ток в порядък по нисък от 50 цА при работна честота 1 MHz, консумация в режим на изчакване в порядък от 5 цА и ток при изключено състояние не по-висок от 3 цА. За преминаване от неактивен в работен режим, се изискват време в порядък от 5
Заключение
Класическият подход за създаване на електронно управлявани устройства, които се захранват централно от електрическата мрежа или автономно от батерии не поставяше високи изисквания по отношение на тяхната икономичност и ефективност за разходваната от управляващата електроника енергия. При мрежово свързаните смарт устройства, изчислителната работа по събиране и предаване на информация може да формира основната част от разходваната енергия. Като се има предвид количеството от милиарди активни такива устройства и динамиката в нарастването на техния брой, става все по-актуален въпроса за консумираната енергия.
Направена e оценка на възможностите за използване на специализирани интегрални схеми с цел оптимизиране на средствата за събиране и съхранение на енергия. В допълнение на това са анализирани варианти за използване на съвременни модули с ниска и ултра-ниска консумация. Разгледани са системи от тип „нулева енергия", като се обхваща процеса на събиране на енергия и нейното ефективно използване чрез оптимизирано софтуерно и хардуерно осигуряване за получаване на комплексно решение, необходимо за създаването на успешен дизайн за нови мрежово свързани смарт обекти.
Използвана литература
http://www.ecnmag.com/blog/2014/09/powering-internet-things-new-technologies-new-markets http://windspring.com/wp-content/uploads/2016/05/WindSpring-SpringBoard-Technology-Brief-for-Download.pdf
