L’application note AN588 di Silicon Labs ci mostra come sia possibile realizzare una soluzione completa nel campo dell’energy harvesting utilizzando il microcontrollore a basso assorbimento Si1012, dotato anche di funzionalità wireless.

Il microcontrollore Si1012 di Silicon Labs è una MCU (MicroController Unit) ad elevate prestazioni e bassissimo assorbimento basata sul noto core 8051. Progettata espressamente per le applicazioni embedded con funzionalità wireless bidirezionali, presenta delle caratteristiche tecniche di assoluto rilievo, tra cui:

• throughput di 25 MIPS
• 16 kB di memoria FLASH
• 256 byte di memoria RAM
• 512 byte di memoria XRAM
• 1 convertitore analogico-digitale con risoluzione di 12-bit e 11 canali
• 15 linee di I/O
• 4 Timer/Counter a 16-bit
• 6 canali PCA
• 2 Comparatori Analogici
• Real Time Clock
• assorbimento di corrente in trasmissione pari a 30 mA
• assorbimento di corrente in ricezione pari a 18.5 mA
• potenza di trasmissione pari a 13 dBm transceiver RF integrato in grado di supportare le modulazioni FSK, GFSK e OOK
• interfacce di comunicazione I2C, Enhanced SPI e UART
• unità integrata per il calcolo del Cyclic
• Redundancy Check (CRC)

Numerosi sono i componenti integrati sul chip: oscillatore, regolatore di tensione, sensore di temperatura e debugger. In Figura 1 è mostrato lo schema a blocchi relativo a una MCU della serie Si10xx, in cui sono evidenziati i componenti basilari dell’architettura. Silicon Labs ha preparato un reference design (in pratica un kit) in grado di sfruttare al massimo il bassissimo assorbimento di questo componente, e quindi particolarmente indicato per le applicazioni di energy harvesting. Il kit include: l’Energy Harvesting Wireless Sensor Node basato sulla MCU Si1012 (la scheda è visibile in Figura 2), una chiavetta USB EZRadioPRO®, un adattatore USB ToolStick per eseguire la carica rapida, un cavo USB da un metro. Tra le applicazioni tipiche di questo tipo di MCU ricordiamo: sistemi di misurazione continua, monitoraggio di parametri elettrici per applicazioni nel campo della domotica, sistemi wireless per la sicurezza, sistemi per il controllo di accesso. La famiglia di microcontrollori Si10xx detiene il più basso valore di assorbimento di potenza in tutte le modalità di funzionamento: active, sleep, e deep sleep. Questa caratteristica, tuttavia, non inficia minimamente sulle prestazioni del transceiver wireless, consentendo di incrementare notevolmente la durata della batteria e riducendo i costi del prodotto finale.

Figura 1: schema a blocchi della MCU Si10xx

Figura 2: l’Energy Harvesting Wireless Sensor Node

IL REFERENCE DESIGN

L’obiettivo del reference design proposto da Silicon Labs è quello di realizzare un sensore wireless a bassissimo assorbimento alimentato unicamente da una sorgente di potenza basata sull’energy harvesting. Questo tipo di applicazione è adatta a quei sistemi che periodicamente si “risvegliano” da uno stato a basso assorbimento per eseguire delle misurazioni e per trasmetterle poi via radio. Poichè la soluzione adotta la tecnologia di energy harvesting, lungo tutto il periodo di vita del componente non è richiesto alcun intervento per la sostituzione della batteria di alimentazione. Si noti come la durata attesa per quest’ultima sia pari ad oltre 15 anni (o 7000 mA-H). Inoltre, questa caratteristica ha permesso di progettare il nodo wireless in modo tale da ottenere un profilo risultante molto sottile (lo spessore della batteria presente sulla scheda è pari a soli 0.17 mm). I due componenti principali inclusi nel kit sono il wireless Sensor Node, visibile in Figura 1, e la chiavetta USB EZRadioPRO®. Come già anticipato in precedenza, il cuore del sensore è rappresentato dalla MCU wireless Si1012, mentre la chiavetta USB include un microcontrollore Silicon Labs C8051F342 e un modulo radio Silicon Labs Si4431. Il Sensor Node opera alla frequenza di 919.84 MHz ed è alimentato da un modulo che converte in elettricità l’energia solare. Quando il wireless Sensor Node non sta trasmettendo, il microcontrollore wireless Si1012 può rimanere in uno stato a basso consumo di energia, nel quale l’assorbimento di corrente è pari a soli 50 nA. La corrente di leakage della sorgente di alimentazione basata sull’energy harvesting, quando è abilitata, è pari a circa 3 μA, e per compensarla è sufficiente un illuminamento di 50 lux sulla cella solare. Questi dati tecnici, di assoluto rilievo, consentono alla sorgente di alimentazione basata sul recupero dell’energia di alimentare ininterrottamente il sistema per circa 7 giorni in un ambiente chiuso (con il sistema in posizione ON) oppure per un tempo indefinito qualora esista una sorgente di luce in grado di rimpiazzare l’energia assorbita. Il sistema è in grado di funzionare sia in condizioni di illuminazione indoor (200 lx) che in condizioni di illuminazione outdoor (10000 lx e oltre).

L’HARDWARE

L’hardware che compone il reference design è ben evidenziato in Figura 3 e in Figura 4, nelle quali si possono riconoscere i componenti principali appartenenti al Sensor Node ed alla chiavetta USB. Entrambi i dispositivi sono forniti completi del firmware aggiornato per l’applicazione demo, ma la batteria non viene fornita già carica, per cui occorre caricarla completamente prima dell’utilizzo. In Figura 3, tra gli altri componenti, sono ben visibili il microcontrollore Si1012, la cella solare, la batteria a film sottile e l’antenna stampata sulla basetta stessa. La chiavetta USB, visibile in Figura 4 (l’involucro protettivo di plastica è stato rimosso) è alimentata direttamente dal PC tramite una comune porta USB. E’, pertanto, sufficiente inserirla in una porta libera per averla subito operativa. Non è inoltre richiesta l’installazione di alcun driver, in quanto essa utilizza la Human Interface Device Class (HID) dell’USB, già presente nel sistema operativo.

Figura 3: il Sensor Node con l’MCU Si1012

Figura 4: l’EZRadioPRO Dongle

IL SOFTWARE

L’applicazione demo Energy Harvesting è stata sviluppata per il sistema operativo Windows e viene distribuita come parte integrante della Wireless Development Suite (WDS). La Wireless Development Suite può essere scaricata alla pagina web: http://www.silabs.com/MCUDownloads. Una volta eseguito il download di WDS dal sito web di Silicon Labs, occorre estrarre l’eseguibile dal file zip e lanciarlo per eseguire l’installazione. La demo Energy Harvesting ha lo scopo di dimostrare come trasmettere periodicamente dei dati acquisiti da un Sensor Node verso un comune PC. Per lanciare la demo, occorre anzitutto assicurarsi che la chiavetta EZRadioPRO sia correttamente inserita in una porta USB del PC. Occorre poi seguire i seguenti passi:

• lanciare il programma cliccando su Start->All Programs->Silicon Laboratories-> WDS3
• selezionare poi Harvesting Demo
• navigare attraverso i menu presenti sullo schermo fino a quando appare la voce Demo Application; l’applicazione demo Energy Harvesting è ora pronta a ricevere le informazioni inviate dal Sensor Node

In Figura 5 è visibile la schermata iniziale dell’applicazione demo, posizionare lo switch S2 sulla posizione SOLAR, selezionando in questo modo la sorgente per l’alimentazione.

Figura 5: la schermata iniziale dell’applicazione demo

Occorreranno da 10 a 15 secondi per caricare il condensatore da 100 μF della cella solare, e successivamente questa energia potrà essere utilizzata per eseguire il Power-On-Reset (POR) completo. Il led verde dovrebbe lampeggiare tre volte per indicare che il Sensor Node ha eseguito correttamente il power on. Tre lampeggi del led rosso, viceversa, indicano che il sistema non ha abbastanza energia per eseguire il power on, e quindi il Sensor Node richiede di essere caricato. Infine, una combinazione di lampeggi sia del led verde che di quello rosso indicano che il sistema ha energia sufficiente per eseguire il power on, ma quest’ultima è inferiore al 75% della capacità massima; premere il pulsante presente sulla scheda del Sensor Node (si veda la Figura 3), con l’effetto di risvegliare la MCU dalla modalità sleep. La prima volta che si preme questo pulsante, il Sensor Node cercherà di collegarsi alla chiavetta USB EZRadio- PRO. Un breve lampeggio del led verde oppure di quello rosso indicheranno se questa operazione è andata a buon fine oppure no. Dopo aver eseguito con successo il collegamento, e dopo ogni ulteriore pressione del pulsante, il Sensor Node trasmetterà le informazioni relative al livello della batteria e alla temperatura misurata dal sensore integrato sulla scheda. Il Sensor Node si risveglierà, inoltre, una volta al secondo e per tre minuti consecutivi, trasmettendo il livello di intensità luminosa misurato sulla cella solare. Trascorsi i tre minuti, il Sensor Node si porta nello stato sleep ad assorbimento ultra-ridotto, nel quale rimarrà sino alla successiva pressione dello stesso tasto. Il led verde lampeggia ogni volta che il Sensor Node si risveglia e trasmette i dati, nel caso in cui la carica del sistema sia superiore al 75%. Il led rosso, invece, lampeggia nel caso in cui non venga ricevuto un acknowledge dalla chiavetta USB. Quest’ultima, da parte sua, emette un lampeggio del led verde ogni volta che riceve correttamente un pacchetto dati, l’applicazione Energy Harvesting designerà come Nodo 1 il primo Sensor Node che si collegherà con successo, mentre possono essere collegati fino a quattro diversi nodi. Per verificare il corretto comportamento dell’applicazione si può provare a coprire parzialmente la cella solare (oppure illuminarla con una torcia), in modo tale da vedere le variazioni dinamiche del livello di illuminazione gestito dall’applicazione. Premendo il pulsante si aggiorna poi il valore di temperatura e il livello della batteria, e si aggiunge un minuto extra al tempo necessario prima che il Sensor Node si porti nello stato ad assorbimento ultra-ridotto, nell’apposito tab denominato Logic viene visualizzato il numero di nodi collegati, oltre al valore dell’RSSI (Receive Signal Strength Indicator), ovvero l’indicazione dell’intensità del segnale ricevuto) associato ad ogni nodo. Una prova significativa è quella di spostare leggermente il nodo trasmittente in modo tale da allontanarlo dalla chiavetta USB. Si dovrebbe osservare, come effetto, una riduzione del segnale ricevuto. La portata massima del sistema, in condizioni di batteria completamente carica, si aggira intorno a 100-300 piedi (100 metri massimo). Se l’energia del nodo scende al di sotto del 75%, la potenza di trasmissione viene ridotta in modo tale da preservare la quantità di carica rimanente. In questa particolare modalità di funzionamento “ridotta”, il led verde non lampeggerà in caso di trasmissione corretta, ma il led rosso continuerà a lampeggiare nel caso in cui un pacchetto ricevuto non sia riconosciuto come valido, il tab denonimato Packet visualizza la lista di tutti i pacchetti ricevuti. E’ possibile selezionare un singolo pacchetto e decodificarne il contenuto, visualizzando le informazioni relative ai singoli campi VBAT, TEMP, e LIGHT_LEVEL, il tab Nodeinfo, infine, fornisce un sommario delle ultime informazioni relative ai sensori visualizzate in formato testuale. Un esempio di questa funzionalità è fornito nella Figura 7.

Figura 6: l’applicazione con un nodo collegato

Figura 7: il tab Nodeinfo

L’ARCHITETTURA DEL SISTEMA

Il sistema di energy harvesting, sintetizzato nello schema concettuale di Figura 8, si compone essenzialmente di tre componenti, visibili in Figura 9: un circuito in grado di recuperare l’energia, un circuito per immagazzinare l’energia recuperata ed un circuito per convertire l’energia immagazzinata in una forma adatta ad essere impiegata dal sensore wireless.

Figura 8: il sistema Energy Harvesting

Figura 9: i blocchi funzionali del sistema

IL RECUPERO DELL’ENERGIA

Il circuito utilizzato per il recupero dell’energia è composto da una cella solare in grado di fornire una corrente continua, un raddrizzatore in grado di convertire l’energia alternata prodotta dalle vibrazioni in energia continua, ed il regolatore LTC 4071 che riceve in ingresso energia continua e produce in uscita una tensione stabilizzata pari a 4.1 V. L’LTC4071 serve anche a proteggere la batteria scollegandola dal circuito quando la sua carica è troppo bassa e fornisce anche un’impostazione di “fabbrica” che disconnette la batteria stessa durante la spedizione del dispositivo, consentendole di mantenere la piena efficienza di carica sino a quando l’utente finale utilizzerà il sistema.

L’IMMAGAZZINAMENTO DELL’ENERGIA

Il sistema utilizzato per conservare l’energia recuperata è in questo caso rappresentato da una batteria a film sottile IPS da 4.1 V, 700 A-H. Questa batteria è in grado di fornire una quantità di energia sufficiente a mantenere in funzione il dispositivo per diversi giorni, senza richiedere alcuna conversione (recupero) di energia. In qualunque sistema di energy harvesting è importante che l’energia utilizzata dal sistema si mantenga inferiore alla quantità di energia trasformata, in modo tale da evitare il progressivo esaurimento dell’energia immagazzinata. Maggiore è la riserva di energia immagazzinata, più a lungo potrà funzionare il sistema senza aver bisogno di trasformare nuova energia.

LA CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Questo circuito converte la tensione di 4.1 V della batteria a film sottile in una tensione stabilizzata di 2.7 V in grado di essere utilizzata dalla MCU wireless Si1012. I componenti principali di questo circuito sono un LDO ad assorbimento ultra-ridotto (ADP162), un rivelatore di brownout (NCP302) ed un condensatore da 100 F al tantalio per produrre i picchi di corrente necessari alla trasmissione a radiofrequenza (RF). Il pin di shutdown dell’LDO è collegato all’uscita del rivelatore di brownout, in modo tale che il sistema non sia alimentato sino a quando il condensatore da 100 F non si sia caricato sino ad almeno 3.0 V. Ciò garantisce che il sistema non cerchi di eseguire il power on se non ha abbastanza energia immagazzinata per portarlo a termine con successo. Il sistema di energy harvesting richiede una corrente di circa 3 A per funzionare. Questa quantità di energia è facilmente ottenibile da una luminosità di circa 50 lux incidente sulla cella solare. Il sistema di energy harvesting può, inoltre, rimanere in un ambiente completamente oscuro per 1 settimana prima che tutta l’energia immagazzinata venga riutilizzata. Se il sistema deve essere collocato in una zona buia per un periodo superiore, è consigliabile posizionare lo switch S2 sulla posizione “OFF”, attivando così la modalità di fabbrica e scollegando la batteria dal sistema. In questo modo il sistema è in grado di mantenere la sua carica sino a quando lo switch S2 viene rimesso sulla posizione “SOLAR”. Se lo switch di selezione della sorgente di energia è posizionato su SOLAR e la scheda del Sensor Node viene esposta ad un’illuminazione almeno pari a 200 lx per diverse ore al giorno, la carica totale del sistema non dovrebbe mai scendere al di sotto del 75%. Se il sistema deve, invece, essere mantenuto in un ambiente non illuminato per diversi giorni (ad esempio durante la spedizione del dispositivo), è consigliabile portare lo switch sulla posizione OFF. Il sistema manterrà indefinitamente la carica quando lo switch è posizionato su OFF. Se l’energia immagazzinata dal sistema viene utilizzata completamente, è sempre possibile eseguire la ricarica rapida (in meno di 30 minuti) tramite il ToolStick Base Adapter (fornito con il kit di reference design) e impostando lo switch su USB. La Figura 10 mostra i tempi indicativi di carica nelle varie condizioni ambientali.

Figura 10: tempi di carica in diverse condizioni ambientali

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