Home
Accesso / Registrazione
 di 

Da SiLabs la soluzione per sensori wireless con energy harvesting

SiLabs energy harvesting

Silicon Laboratories Inc. (SiLabs) ha recentemente introdotto sul mercato una soluzione per sensori wireless molto efficiente dal punto di vista energetico, alimentata direttamente da una fonte solare di energy harvesting.

Questa soluzione di energy harvesting permette ai progettisti e agli sviluppatori di realizzare delle reti di sensori wireless di bassa potenza autosufficienti dal punto di vista dell'alimentazione, e particolarmente indicate per applicazioni quali:

  • automazione domestica e degli edifici
  • sistemi di sicurezza
  • applicazioni di controllo industriale
  • sistemi di monitoraggio biomedicali
  • sistemi di monitoraggio per l'agricoltura

 

La soluzione di SiLabs, denominata Si10xx, è basata su un microcontrollore single-chip (MCU) e su un transceiver wireless, e può pertanto garantire funzionalità sia di controllo che wireless con un assorbimento di potenza estremamente contenuto. Una soluzione come questa, che sfrutta l'energy harvesting, presenta diversi vantaggi significativi, tra i quali:

  • è rispettosa dell'ambiente
  • è virtualmente inesauribile (essendo autosufficiente dal punto di vista energetico)
  • è vantaggiosa dal punto di vista economico (si evita la sostituzione delle batterie)
  • è un'alternativa conveniente alle tradizionali batterie

 

Non dimentichiamo che le batterie comportano comunque un costo, e presentano l'inconveniente di richiedere una sostituzione periodica (operazione alquanto scomoda quando si ha a che fare con una rete di sensori wireless dislocati in luoghi poco accessibili), oltre al fatto che diventano poco affidabili in condizioni di temperatura estreme. Nell'immagine seguente è mostrato lo schema a blocchi relativo ad un tipico sistema di energy harvesting.

Il reference design (RD) di SiLabs basato sull'energy harvesting include il software per la gestione della rete wireless e dell'interfaccia USB, un circuito completo di layout a radio frequenza (RF), lista componenti, schematici, e file Gerber. I componenti dell'RD sono i seguenti:

  • un nodo sensore di tipo wireless alimentato dall'energia solare (energy harvesting) che misura temperatura, intensità luminosa, ed il livello di carica della batteria. Queste funzioni sono svolte grazie alla MCU wireless della serie Si10xx che controlla il sistema di sensori e trasmette le informazioni via radio. E' inoltre presente una batteria a film sottile (Thin Film Battery, o TFB) per immagazzinare l'energia recuperata con l'harvesting
  • un adattatore USB wireless (dongle) che connette il nodo di sensori wireless ad un PC, il quale a sua volta visualizza graficamente i valori ricevuti. L'adattatore è basato sul transceiver Si4431 EZRadioPRO di Silicon Labs, con una MCU equipaggiata con software USB-HID e con lo stack software EZMac
  • un'interfaccia grafica (GUI) in ambiente PC in grado di visualizzare le informazioni raccolte da una rete di sensori wireless (si possono visualizzare fino a 4 nodi di sensori)

 

La batteria a film sottile utilizzata ha una capacità di 0,7 mAh. Ciò significa che, in condizioni di luce solare diretta, la carica completa può essere eseguita in meno di 2 ore. Quando il dispositivo si trova in modalità sleep, la carica delle batterie può essere mantenuta anche per 7.000 ore. Se invece il dispositivo wireless trasmette continuamente i dati, viene garantito un periodo di funzionamento continuativo di circa 3 ore, anche se il sistema è stato progettato per consentire la ricarica costante delle batterie durante il funzionamento ed evitare quindi che questa si scarichi completamente. Solitamente, sistemi di questi tipo si basano su un timer programmabile (RTC) che periodicamente "sveglia" la CPU ed innesca l'acquisizione dei dati e la loro trasmissione via radio; si ottiene così un funzionamento perpetuo del sistema. Il sistema è inoltre configurabile per quanto riguarda la sorgente di energy harvesting. Si può così bypassare la cella solare (la soluzione scelta come default), e collegare ad un ingresso ausiliario altre forme di energy harvesting, come ad esempio piezolettrica (vibrazioni), termica, oppure RF. La trasmissione tra nodi wireless può avvenire fino ad una distanza di 300 piedi (circa 100 metri). La soluzione di SiLabs viene attualmente commercializzata ad un prezzo di 45 US$. Nell'immagine seguente è mostrato lo schema concettuale del reference design di energy harvesting proposto da SiLabs.

Le MCU wireless

La famiglia di MCU wireless Si100x/1x di SiLabs rappresenta oggi la soluzione integrata single-chip a minor assorbimento in assoluto, combinando la versatilità di un microcontrollore con la funzionalità wireless di un transceiver RF per comunicazioni bidirezionali. Le MCU della serie Si100x/1x presentano il più basso valore di assorbimento tra tutti i dispositivi analoghi attualmente in commercio, in tutte le modalità di funzionamento: active, sleep e deep sleep. Il video seguente fornisce un esempio di questa tecnologia, e si riferisce ad un'applicazione di misurazione su M-bus: vengono utilizzate due board per instaurare un link di comunicazione wireless tra le stesse.

Qui possiamo osservare lo schema a blocchi relativo ad un modello di MCU della serie Si100x/1x: si noti la presenza di vari blocchi necessari per realizzare una soluzione di energy harvesting wireless completa, come ad esempio ADC, oscilatori, timer, interfaccia radio, sensore di temperatura integrato. L'MCU ha un core high-speed basato sullo "storico" 8051 capace di raggiungere una peformance di 25 MIPS alla frequenza di 25MHz. L'architettura della CPU dispone anche di una pipeline delle istruzioni in grado di eseguire il 70% delle istruzioni in 1 o 2 cicli di clock. La tensione di alimentazione è compresa tra 1.8 e 3.6V, l'assorbimento di corrente in modalità sleep è minore di 0,1 microA (il contenuto della memoria RAM viene preservato anche in questo stato), ed il tempo di wakeup è inferiore a 2 micro secondi. E' presente un blocco on-chip per eseguire il debug: ciò consente di eseguire un debugging non intrusivo mentre la CPU sta eseguendo l'applicazione in modo full-speed (non è pertanto necessario ricorrere ad un emulatore). Il transceiver opera nel range di frequenza 240–960 MHz (sub-GHz), ha una potenza massima di uscita pari a +20 dBm, supporta le modulazioni FSK, GFSK, e OOK, può trasmettere ad una velocità fino a 256 kbps, e presenta un'assorbimento di 18,5 mA a +20 dBm.

Silicon Labs Newsroom

Ecco le soluzioni energy harvesting proposte da Farnell e element14

 

 

Scrivi un commento all'articolo esprimendo la tua opinione sul tema, chiedendo eventuali spiegazioni e/o approfondimenti e contribuendo allo sviluppo dell'argomento proposto. Verranno accettati solo commenti a tema con l'argomento dell'articolo stesso. Commenti NON a tema dovranno essere necessariamente inseriti nel Forum creando un "nuovo argomento di discussione". Per commentare devi accedere al Blog
ritratto di Me

Energy harvesting (conosciuto

Energy harvesting (conosciuto anche come Power Harvesting) ha un'importanza considerevole a livello mondiale, soprattutto in questi tempi di spesa energetica sempre più crescente. Poi Elettronica Open Source ha sempre dato tanto spazio e rilevanza a questo argomento. Bravi!

 

 

Login   
 Twitter Facebook LinkedIn Youtube Google RSS

Chi è online

Ci sono attualmente 8 utenti e 30 visitatori collegati.

Ultimi Commenti