Un dispositivo Bluetooth Low Energy (BLE) alimentato mediante Indoor Light

L’energia può essere raccolta da molte forme di sorgenti presenti e disponibili nell’ambiente in cui viviamo, sia esterno che interno. Può essere raccolta energia da sorgenti cinetiche o di movimento, termiche, chimiche, elettromagnetiche, solari. Nella maggior parte dei casi queste sorgenti di energia sono disponibili all’esterno, pensiamo ad esempio all’energia solare da cui possiamo trarre energia termica e luminosa, ma come vedremo in questo articolo, è possibile trarre energia dalle sorgenti luminose degli ambienti interni in cui viviamo e lavoriamo. Infatti, per molte ore durante la giornata utilizziamo dispositivi di illuminazione all’interno della nostra abitazione o negli uffici, negozi e aziende. Vedremo dunque come catturare l’energia luminosa presente in questi ambienti per alimentare un dispositivo Bluetooth a bassa energia di assorbimento.

Introduzione

Mediamente un normale sistema di illuminazione per interni rende disponibile nell’ambiente una intensità luminosa corrispondente a circa 250 lux, ma anche di più, e questa energia luminosa rende possibile ad un dispositivo Bluetooth (al seguente link una panoramica della categoria bluetooth) di trasmettere e ricevere energia RF. Certamente ciò viene reso possibile grazie anche ad una accurata selezione di elementi circuitali che devono rispondere a requisiti di bassissimo consumo energetico, sia nel normale funzionamento che in stand-by. L’ottimizzazione di soluzioni componentistiche e di progettazione circuitale rendono possibile di evitare l’utilizzo di batterie sostituibili, batterie ricaricabili e di qualsiasi altra forma di alimentazione di consumo. Nel progetto vengono utilizzati i seguenti componenti: il chip CC2541 è l’integrato Bluetooth a bassa energia che trasmette alla frequenza di 2,4 GHz e viene utilizzato appunto nei sistemi in cui viene richiesto un basso consumo di energia; il BQ25505 è un chip il cui ruolo è fondamentale in questo progetto in quanto si occupa proprio della raccolta di energia luminosa, è in grado quindi di gestire livelli di energia Nano-Power; il chip CSD75205W1015 è uno switch di carico ON-OFF la cui funzione è quella di connettere per il normale funzionamento e disconnettere in stand-by dall’alimentazione il chip Bluetooth CC2541, ottimizzando così la gestione dell’energia; la cella solare CBC-PV-01 è la cella fotovoltaica al silicio a bassa tensione, tipicamente fornisce una tensione di 0,8 V con una corrente di uscita di circa 200 microampere per una sorgente di luce fluorescente di circa 200 lux, viene quindi utilizzata nei sistemi di bassa potenza come ad esempio sensori wireless; infine nel progetto viene impiegato un cosiddetto super condensatore utilizzato come accumulatore di energia di riserva durante il transitorio di carico nelle ricezioni-trasmissioni RF del Bluetooth.

Il sistema Indoor Light Energy Harvesting per Bluetooth a bassa energia (BLE)

L’illuminazione interna degli ambienti può essere quindi considerata come una sorta di sorgente di energia rinnovabile sempre disponibile, ovviamente in funzione della disponibilità di illuminazione sia artificiale che naturale. È evidente come sia molto importante la scelta di una efficiente cella solare in grado di operare in condizioni ambientali interni; in questo progetto è stata selezionata la cella solare CBC-PV-01N della Cymbet. Il chip Bluetooth CC2541 BLE è stato scelto per la sua bassissima corrente nello stato di sleep mode che è di circa 1 uA, nonché di basso consumo di energia in modalità funzionale. L’integrato BQ25505 è un convertitore elevatore caricatore a basso consumo; ha la funzione di elevare la tensione di ingresso proveniente dalla cella solare e di gestire la tensione di alimentazione generata dalla raccolta di energia luminosa. Come abbiamo già visto nell’introduzione, l’integrato CSD75205W1015 è uno switch di carico controllato dal chip BQ25505, scelto per la sua bassissima resistenza nello stato di connessione verso il carico. Per quanto riguarda il super condensatore, nel progetto viene impiegato CLG05P008F12 di capacità 8 mF in grado di sopperire alla necessità di energia durante la fase di trasmissione del Bluetooth. Nella figura 1 viene riportato lo schema a blocchi del sistema Bluetooth.

Figura 1: Schema a blocchi del Bluetooth BLE

Figura 1: Schema a blocchi del Bluetooth BLE

Caratteristiche del progetto

Si tratta del progetto di un dispositivo Bluetooth a bassa energia definito BLE Beacon che viene alimentato da sorgenti luminose ambientali di interni, quindi nessuna alimentazione esterna è prevista, come batterie sostituibili, batterie ricaricabili o altro tipo di sorgenti energetiche di consumo. Viene previsto l’utilizzo di un convertitore DC-DC elevatore ad alta efficienza e bassissimo consumo di potenza in grado di gestire l’energia raccolta da una cella solare (al seguente link una raccolta di articoli sulla cella solare). La raccolta di energia dalla cella solare deve consentire una tensione di ingresso del gestore di energia superiore o uguale a 100 mV. La corrente di riposo dell’elemento che gestisce l’energia proveniente dalla cella solare si prevede tipicamente inferiore a 330 nA, mentre è di circa 1 uA nel chip BLE. La tensione minima tipica di start del chip del gestore di energia è >= 330 mV. È programmabile dinamicamente dal chip gestore di energia l’aggancio al massimo punto di energia (MPPT) resa disponibile dalla cella solare. Il dispositivo BLE è realizzato con [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2739 parole ed è riservato agli abbonati PREMIUM. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici PREMIUM e potrai fare il download (PDF) dell'EOS-Book e Firmware del mese. ABBONATI ORA con PAYPAL è semplice e sicuro.

Abbonati alle riviste di elettronica

2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 11 aprile 2017
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 11 aprile 2017

Scrivi un commento

ESPertino è la nuova scheda per IoT compatibile ARDUINO.
Scopri come averla GRATIS!