Bezprzewodowe czujniki kluczową aplikacją energy harvesting

Węzły czujników bezprzewodowych z wykorzystaniem technik pozyskiwania energii z otoczenia

Czujniki radiowe w systemach automatyki budynkowej są jedną z kluczowych aplikacji systemów pozyskiwania energii z otoczenia. W Stanach Zjednoczonych budynki są największym odbiorcą energii, a dopiero za nimi plasują się sektory transportowy i przemysłowy.

Sieci bezprzewodowe wykorzystujące techniki zbierania energii mogą obejmować dowolną liczbę czujników w budynku, dostosowujących temperaturę lub wyłączających światła na mniej istotnych obszarach gdy budynek lub pomieszczenia w nim nie są zajęte, a tym samym zmniejszać koszty HVAC i energii elektrycznej. Ponadto koszt układów umożliwiających pobieranie energii z otoczenia jest często niższy niż koszt prowadzenia przewodów zasilających czy też rutynowa konserwacja wymagana do wymiany akumulatorów, tak więc zastosowanie technik energy harvesting przynosi szybkie i wyraźne korzyści ekonomiczne.

Wiele zalet bezprzewodowych sieci czujników znika w sytuacji kiedy każdy węzeł wymaga doprowadzenia własnego, zewnętrznego źródła zasilania. Chociaż ciągły rozwój zarządzania energią umożliwia układom elektronicznym coraz dłuższą pracę przy stałej mocy źródła zasilania, rozwiązanie to zawsze będzie miało swoje ograniczenia, natomiast pozyskiwanie energii z otoczenia stanowi alternatywne podejście. Energy harvesting jest sposobem zasilania bezprzewodowych węzłów czujników poprzez przekształcanie lokalnej energii otoczenia w użyteczną energię elektryczną. Źródła energii z otoczenia obejmują światło, różnice temperatur, wibracje mechaniczne, transmitowane sygnały RF lub inne dowolne źródło, które może wytwarzać ładunek elektryczny przez przetwornik. Potencjalne źródła energii są wszędzie wokół nas i można je przekształcić w energię elektryczną za pomocą odpowiedniego przetwornika, takiego jak wykorzystujący różnicę temperatur generator termoelektryczny (TEG), komponent piezoelektryczny wykorzystujący wibracje, ogniwo fotowoltaiczne wykorzystujące światło słonecznego (lub oświetlenie wewnętrzne), a nawet energię galwaniczną z wilgoci. Te popularnie określane jako ‘darmowe’ źródła energii mogą być wykorzystywane do autonomicznego zasilania elementów i układów elektronicznych.

Dzięki stworzeniu całkowicie bezprzewodowych czujników, dostosowanych do pracy na poziomie mikrowatów mocy, możliwe jest zasilanie ich z nietradycyjnych źródeł. W systemach, w których używanie akumulatorów jest niewygodne, niepraktyczne, drogie lub niebezpieczne, można zastosować techniki pozyskiwania energii z otoczenia, które mogą doładowywać baterie, uzupełnić ich moc lub całkowicie je zastąpić. Zastosowanie energy harvesting może również wyeliminować potrzebę stosowania przewodów zasilających lub przesyłających dane.

Typowa konfiguracja aplikacji pobierającej energię z otoczenia lub bezprzewodowego węzła czujnikowego (wireless sensor node, WSN) składa się z czterech bloków (Rysunek 1):

- Źródło energii otoczenia

- Przetwornik i układ konwersji mocy do zasilania pozostałych komponentów 

- Czujnik łączący WSN z otoczeniem fizycznym oraz komponent obliczeniowy (mikroprocesor / mikrokontroler), który przetwarza dane pomiarowe i przechowuje je w pamięci

- Komponent odpowiedzialny za komunikację, składający się z radia emitującego fale krótkiego zasięgu, służący do bezprzewodowej komunikacji z sąsiednimi węzłami i światem zewnętrznym.

Przykłady komponentów zbierających energię obejmują TEG (lub termopile), przymocowane do źródeł wytwarzających ciepło, takich jak kanały HVAC, czy też przetworniki piezoelektryczne mocowane do wibrującego źródła mechanicznego, takiego jak choćby szyba. W przypadku źródła ciepła kompaktowe urządzenie termoelektryczne może przekształcić niewielkie różnice temperatur w energię elektryczną. W przypadku mechanicznych drgań lub naprężeń można zastosować urządzenie piezoelektryczne do przekształcenia ich w energię elektryczną.

Po przechwyceniu energii elektrycznej z otoczenia, można na tej bazie opracować obwód zbierający i modyfikujący energię do postaci, w której jest ona w stanie zasilać dalsze części układu. W dalszych krokach mikroprocesor może obudzić czujnik w celu wykonania odczytu lub pomiaru, który można następnie przeprocesować za pomocą konwertera analogowo-cyfrowego (ADC) i transmitować przez bezprzewodowy nadajnik-odbiornik o bardzo małej mocy.

Rysunek 1. Główne bloki typowego systemu pozyskiwania energii. © Analog Devices

Oczywiście ilość energii dostarczanej przez taki układ zależy od tego, jak długo jej źródło pozostaje aktywne. Dlatego podstawową miarą porównania ‘oczyszczonych’ źródeł jest gęstość mocy, a nie gęstość energii. Generalnie, zbieranie energii z otoczenia nieodłącznie wiąże się z niskim, zmiennym i nieprzewidywalnym poziomem dostępnej mocy, dlatego też często stosowana jest konstrukcja hybrydowa: poza elementem zbierającym energię stosuje się dodatkowe źródło mocy. Element zbierający energię, charakteryzujący się dużą dostępnością dostaw energii ale i niedoborem mocy, jest pierwotnym źródłem energii systemu. Dodatkowe źródło energii - bateria lub kondensator - zapewnia wyższą moc wyjściową i magazynuje pewne ilości energii, dostarczając moc tylko wtedy, gdy jest to wymagane; jest też regularnie doładowywany z komponentu zbierającego energię. Zatem w sytuacjach, gdy energia pobierana z otoczenia jest niewystarczająca, do zasilania WSN wykorzystywane jest dodatkowe źródło energii.

Prawidłowo zaprojektowany niezależny WSN wymaga też zastosowania energooszczędnych mikrokontrolerów i przetworników, które pobierają minimalną ilość energii elektrycznej. Przykłady rozwiązań takich układów odbiorników energii są pokazane na rysunku 1. Zazwyczaj składają się one z około 30 komponentów dyskretnych, często o niewielkiej wydajności - takie konstrukcje mają niską wydajność konwersji i wysokie prądy spoczynkowe, co skutkuje pogarszeniem wydajności systemu końcowego.

Ponieważ wysoki prąd spoczynkowy ogranicza to, jak niska może być moc wyjściowa źródła pobierającego energię z otoczenia, układ taki musi najpierw osiągnąć poziom prądu potrzebny do jego własnej pracy, zanim będzie mógł dostarczyć jakąkolwiek nadwyżkę mocy na wyjście. Dzięki nowym poziomom wydajności i prostocie projektu, rozwiązanie może stanowić nowa oferta produktów Power by LinearTM (PbL) firmy Analog Devices.