Energie rinnovabili per un nodo sensore

L’obiettivo di questo articolo della Rubrica Firmware Reload è fornire le basi progettuali per un nodo sensore wireless in grado di alimentarsi sfruttando le energie rinnovabili. Si discuterà in dettaglio delle tecniche che consentono di aumentare la durata delle batterie e di conseguenza la vita di questi dispositivi senza la necessità di intervenire in assistenza.

Introduzione

Sono ormai parecchi anni che il tema del risparmio energetico è un focus sempre presente in moltissime applicazioni. Ad oggi con le evoluzioni tecnologiche le soluzioni in questo ambito sono diventate più sofisticate ed efficienti, le stesse tecnologie di accumulo, come nel caso delle super capacità o delle batterie TFB (Thin Film Batteries), sono diventate molto più economiche. La crescente domanda di soluzioni “energy harvesting” ha prodotto circuiti integrati in grado di realizzare funzioni, come algoritmi di controllo e comunicazioni wireless, utilizzando ridottissime quantità di energia. Si è arrivati ad un punto tale che la richiesta di applicazioni con energie rinnovabili si sta estendendo dagli abituali prodotti di nicchia come calcolatrici e orologi da polso, a prodotti quali sistemi di sicurezza, controlli integrati, prodotti per la building automation, controllo infrastrutture e sistemi di controllo medicale.

Il contemporaneo sviluppo delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito alla nascita della figura del “nodo sensore wireless” e lo ha elevato a più importante prodotto per il settore delle soluzioni basate su energie rinnovabili. I sensori wireless sono ormai ovunque e dunque sono prodotti sempre più attraenti per il mercato dell’energy harvesting. Portare l’alimentazione di rete ad un sensore wireless è spesso impossibile o non conveniente, inoltre, poiché spesso la collocazione dei sensori è proprio in punti difficilmente raggiungibili, la sostituzione regolare delle batterie potrebbe risultare costosa e non conveniente. L’elettronica odierna consente adesso di aggredire questi prodotti unendo i vantaggi delle energie rinnovabili alla disponibilità di microcontrollori in grado di eseguire controlli sofisticati consumando pochissima potenza.

OTTIMIZZAZIONE DEL CONSUMO DI POTENZA

Le modalità low-power dei microcontrollori e i transceiver wireless hanno avuto notevole impulso negli ultimi anni, spingendo per una gestione del risparmio di potenza nelle applicazioni con sensori wireless. In Figura 1 si può vedere il classico ciclo di consumo della potenza per un nodo sensore wireless.

Figura 1: Ciclo operativo per un nodo sensore wireless.

Figura 1: Ciclo operativo per un nodo sensore wireless

L’obiettivo del progettista è minimizzare l’area sottesa dalla curva, che corrisponde al consumo di potenza. Minimizzare il consumo di potenza vuol dire, per esempio, ottimizzare i tempi in cui il nodo sensore è in low power sleep mode, riducendo al minimo le fasi attive. Un microcontrollore con un core rapido a processare le informazioni consente di eseguire rapidamente gli algoritmi di controllo, permettendo di ritornare rapidamente in modalità di basso consumo. Un nodo sensore wireless spende la maggior parte del suo tempo in sleep mode, l’unico sistema attivo in questa condizione è l’RTC (Real Time Clock). L’RTC si occupa di mantenere il tempo e svegliare il sensore per misurare l’ingresso. Solitamente gli RTC integrati nei microcontrollori consumano solamente poche centinaia di nano ampere. E' importante ridurre al minimo i tempi di wake-up del sistema, poiché in tali fasi si consuma potenza.

L’RTC utilizza un contatore free-running del sottosistema dei timer, quando il contatore arriva a fondo scala, viene generato un interrupt che spesso sveglia la MCU. Se si considera di usare un cristallo a 32.768 kHz, allora un contatore a 16 bit completa il conteggio ogni due secondi, risvegliando la MCU. Se invece il timer fosse a 32 bit, l’interrupt periodico si verificherebbe meno volte e si potrebbe risparmiare potenza. Quando un nodo sensore wireless si risveglia, tipicamente deve misurare un segnale utilizzando un convertitore analogico-digitale (ADC). È importante notare che il risveglio dell’ADC oltre che la CPU deve essere estremamente veloce, o quantomeno deve essere valutato in rapporto al tempo di risveglio della CPU. Solitamente per un MCU low-power i tempi per svegliare CPU e ADC si aggirano intorno ad un paio di microsecondi. Quando il nodo si è svegliato, la MCU assorbe una corrente che si aggira intorno ai 160 uA/MHz. Quando la misura del sensore è stata completata, bisogna decidere se procedere con la trasmissione radio. Per questa operazione di invio dei dati un ISM low-power su radio band consuma qualcosa in meno di 30 mA per circa un millisecondo.

Quando questa corrente di picco viene mediata sull’intero processo, si ottiene un consumo complessivo medio del nodo sensore, inferiore al microampere. La trasmissione radio consuma la maggior parte della corrente del sistema. Se si minimizza il tempo in cui la radio è accesa si può ottenere un risparmio. Per far ciò è necessario evitare complessi protocolli di comunicazione che incrementano il numero di bit da trasferire. Un altro aspetto da considerare è la distanza di trasmissione, si tratta solitamente di un aspetto sul quale si può intervenire per ridurre la potenza assorbita dalla sezione radio. Un approccio interessante può essere quello del “dynamic ranging” dove viene ridotta la potenza di trasmissione quando l’energia a disposizione del nodo inizia a diminuire.

Sempre nell’ottica di ridurre il consumo di un nodo sensore wireless, bisogna considerare il numero di chip di cui è composto il sistema. Pochi circuiti integrati sul PCB portano a poche perdite dovute alle correnti di leakage. Meglio quindi MCU che integrano tutto quanto serve al nodo sensore, la soluzione tutta integrata consentirà di abbassare i consumi di corrente. Se poi anche il convertitore DC/DC è integrato nella MCU ancora meglio, perché lo si può spegnere in sleep. Per esempio, le MCU della famiglia Si10xx della Silicon Labs contengono al loro interno un convertitore DC/DC che permette al sistema di essere alimentato da una singola batteria AAA alcalina, permettendo di avere 13 dB di potenza in uscita all’antenna. La famiglia Si10xx è un'ottima scelta per nodi sensore wireless.

GESTIRE L’ENERGIA RISPARMIATA

La preoccupazione fondamentale quando si progetta la realizzazione di un nodo sensore wireless basato su energie rinnovabili, è quella di garantire che il sistema abbia sempre la potenza necessaria a garantire l’alimentazione, vedi Figura 2.

Figura 2: Nodo sensore wireless alimentato con energia rinnovabile.

Figura 2: Nodo sensore wireless alimentato con energia rinnovabile

Nell’esempio il sistema usa come fonte di energia rinnovabile il sole, impiegando delle celle solari, come per esempio le Sanyo AM-1815, in grado di fornire 40 uA quando 200 Lux di livello solare colpiscono il pannello. È ragionevole considerare un tale livello di luce per esempio all’interno di un ufficio con una finestra, non di sicuro con l’esposizione diretta al sole della cella. Questa corrente di 40 uA viene fornita ad un circuito di controllo dell’alimentazione che la accumula in una batteria a fil sottile (TFB, Thin-Film Battery). La scelta dell’integrato di power management deve essere fatta con attenzione alle caratteristiche di leakage, rimanendo su pochi microampere di corrente. Con soli 40 uA che arrivano alla batteria, anche piccoli valori di correnti di leakage devono essere considerati e valutati. Una batteria TFT, prendiamo come esempio la MEC101-7SES di Infinite Power Solutions, ha una capacità di 0,7 mAh, ragionevolissima per un nodo sensore wireless. Con 200 Lux di livello di illuminazione, la TFB si carica in 17.5 h.

La situazione di Figura 2 con la combinazione di cella solare, alimentatore e tecnologia di accumulo, garantisce un adeguato livello di energia per il nodo sensore wireless. Adesso il passo successivo è valutare la scelta della MCU e del transceiver wireless in grado di operare correttamente a partire dall’energia a disposizione. La MCU Si1012 di Silicon Labs è un'ottima scelta, ha un consumo bassissimo e performance radio di alto livello. Al suo interno troviamo una radio sub-GHz ISM programmabile combinata con una CPU low-power; questo livello spinto di integrazione, che include anche un sensore di temperatura, è fondamentale per i nodi sensore wireless. Componendo il nodo allo stesso modo di Figura 2, il problema si sposta sul controllo. Come far lavorare il nodo sensore con un rendimento che non svuoti la capacità della TFB, a sua volta caricata dalla cella solare? Se si utilizzano le tecniche citate in precedenza di progettazione low-power, è possibile ottenere una corrente media per il nodo sensore di 51 uA (considerando anche il leakage dell’alimentatore), con un rate di trasmissione di un secondo per tre minuti. Tale valore è sufficientemente basso da consentire al sistema di operare rimanendo completamente carico in situazione di luce bassa.

Se il flusso luminoso in ingresso scendesse a 0 Lux, il nodo sensore sarebbe in grado di continuare ad operare e trasmettere per 64 ore prima che la batteria TFB si esaurisca (ovviamente, con una pausa dopo i tre minuti di trasmissione di circa 20 minuti). Un semplice confronto tra l’energia attesa (in base alla luce stimata disponibile) e l’energia in uscita (basata su quante trasmissioni effettuare e quanto frequentemente) è il solo strumento necessario per valutare e ottimizzare il sistema. Se poi le ipotesi sono state pessimistiche e il sistema si ritrova con più energia a disposizione, allora si può optare per aumentare la distanza di trasmissione. Nel caso del nostro esempio si può arrivare fino a 90 metri a seconda delle condizioni. La scelta dell’energia rinnovabile per alimentare il sensore è fondamentale, in alcuni casi può anche essere utile predisporne più di una. Se il sensore viene collocato in una posizione dove la luce non può arrivare, allora si possono sfruttare altre fonti: termico, vibrazioni (piezoelettrico) o onde radio. La parte di design che è a valle dell’energia rinnovabile rimane più o meno la stessa usata nel nostro esempio. I principi del design sono sempre gli stessi, catturare l’energia, accumularla e utilizzarla con attenzione.

CONCLUSIONI

La capacità di alimentare i nodi sensore wireless partendo da energie rinnovabili, consente ai progettisti di offrire sistemi a basso costo e bassa manutenzione agli utenti finali, impatta positivamente sull’ambiente e abbatte i costi di assistenza per la sostituzione delle batterie. Grazie a questa tecnologia è possibile inserire i sensori in luoghi poco accessibili, come palazzi, ponti o addirittura sepolti sotto terra. Per ottenere questi sensori abbiamo già oggi a disposizione gli elementi chiave, dispositivi dal costo accessibile in grado di produrre energia da fonti rinnovabili, tecnologie di accumulo efficienti e MCU wireless, single chip e ultra low-power. I presupposti ci sono tutti per aspettarsi per il futuro uno sviluppo notevole dei sensori wireless alimentati ad energie rinnovabili, ed una loro diffusione più capillare in molti ambiti della nostra vita: casa, ufficio, industrie e infrastrutture.

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