Il kit Powercast P2110 per la ricarica wireless a RF

La ricarica wireless (WC) è una tecnologia promettente che ha recentemente attirato l'attenzione di diverse aziende. La WC ha una miriade di vantaggi e soprattutto diverse applicazioni nell'ambito Internet of Things (IoT) e nelle Wireless Sensor Networks (WSN), dove la raccolta dell'energia e la sua conservazione sono fondamentali per prolungare la durata della rete. Diverse aziende hanno lanciato prodotti e soluzioni WC e li hanno resi disponibili agli utenti finali. Questo articolo fornisce approfondimenti su questa tecnologia con un focus sul kit di sviluppo per l'Energy Harvesting per sensori wireless fornito da Powercast Inc., un'azienda all'avanguardia che ha messo a disposizione della ricerca e del mondo accademico i propri kit e soluzioni di ricarica wireless.

Introduzione

Negli ultimi dieci anni, c'è stato un crescente interesse per le reti di sensori wireless (WSN) in quanto possono essere utilizzate in diversi scenari applicativi. Ad esempio, rilevamento e monitoraggio remoto, rilevamento incendi, monitoraggio dello stato di salute delle strutture degli edifici, ecc. Una WSN comprende numerosi nodi sensore (SN) distribuiti nell'ambiente. Ciascuno dei nodi sensore è costituito da un microcontrollore, sensori e moduli di comunicazione alimentati da batterie a bordo. A causa dei vincoli nella tecnologia delle batterie e alla limitata capacità delle batterie a bordo, la durata di una WSN è solitamente limitata. Ci si aspetta, però, che le WSN abbiano una lunga vita senza l'intervento umano per il rifornimento di energia soprattutto in un ambiente operativo, dove l'intervento umano non è possibile come nelle fornaci, nelle fabbriche con tetti alti e negli impianti chimici pericolosi. Inoltre, una WSN è costituita da un gran numero di nodi sensore che implicano elevati costi operativi e, quindi, l'intervento umano non è economicamente attraente. In tale contesto, la ricarica wireless (WC) è vista come una soluzione promettente per ricaricare le batterie dei nodi sensore. WC è una tecnologia che mira alla ricarica della batteria dei dispositivi utilizzando il segnale wireless, dove l'energia viene trasferita agli SN attraverso l'aria sotto forma di onde elettromagnetiche. La ricarica wireless a radiofrequenza (RF-WC) utilizza il segnale RF per raggiungere questo obiettivo: le onde radio vengono inviate da un alimentatore DC-RF ad un carico collegato a un ricevitore per la raccolta di energia.

Tecniche di raccolta dell'energia wireless

Ad oggi, esistono diverse tecniche di raccolta di energia wireless, come l'accoppiamento induttivo in campo vicino, la raccolta di energia in campo vicino e la raccolta di energia in campo lontano utilizzando le onde radio. In particolare, nelle tecniche induttive, l'energia può essere trasferita dal trasmettitore al ricevitore utilizzando l'accoppiamento tra i due circuiti. Ovviamente, questo tipo di tecniche funzionano bene su brevi distanze, come la ricarica wireless del telefono cellulare. D'altro canto, la ricarica basata su RF viene utilizzata per distanze più lunghe, in cui un metodo direttivo o non, può essere utilizzato. Il focus di questo articolo è la tecnica di ricarica wireless RF in campo lontano. In breve, il processo di ricarica e raccolta di energia basata su RF può essere riassunto in tre passaggi.

Innanzitutto, la stazione di ricarica converte l'energia CC in onde a radiofrequenza da trasmettere.
In secondo luogo, l'onda elettromagnetica viene generata e fatta propagare nello spazio libero.
Terzo, il circuito di raccolta dell'energia riceve le onde radio e le converte in energia elettrica CC che può essere utilizzata per caricare una batteria o azionare dispositivi senza batteria.

Diverse sono le aziende che hanno sviluppato soluzioni di ricarica wireless a RF, in particolare Powercast Inc., uno dei pionieri in questo campo fornisce kit di valutazione per la ricarica wireless che possono essere adottati dai ricercatori per esplorare questa tecnologia emergente.

Teoria della ricarica a RF

Uno dei kit di valutazione presenti in commercio che consente la trasmissione di energia wireless è il kit Powercast P2110. Esso utilizza la trasmissione a radiofrequenza e il suo trasmettitore comprende un oscillatore e un'antenna, entrambi operanti a 915 MHz. L'intensità dell'onda diminuisce in funzione della distanza e quando raggiunge il lato ricevente viene raccolta dall'antenna e l'energia RF viene tradotta in corrente continua, che viene quindi utilizzata per caricare un condensatore fino al raggiungimento di una tensione di soglia. Raggiunta la soglia, i circuiti di monitoraggio della tensione e il Voltage Booster producono un impulso di uscita. Il processo generale di raccolta di energia è illustrato nella Figura 1.

Figura 1: Processo generale di trasmissione e raccolta di energia wireless a RF

Per comprendere la tecnologia di ricarica wireless a RF è di fondamentale importanza prima capire come l'energia viene trasmessa dal trasmettitore, fatta propagare nello spazio, e ricevuta dall'antenna ricevente. Al lato trasmettitore, considerando un'antenna isotropica, la densità di potenza P_d [W/m²] misurata ad una distanza d dall'antenna radiante è data da:

P_d = P_t G_t / 4π d²

dove P_t è la potenza emessa dal trasmettitore e G_t è il guadagno dell'antenna trasmittente. La potenza ricevuta (raccolta) P_r, all'antenna ricevente ad una distanza d dall'antenna trasmittente può essere calcolata come:

P_r(d) = P_t G_t G_r λ² / (4π d)²

Questa equazione rappresenta la propagazione dell'onda nello spazio libero, che è ben nota come equazione di Friis. Tuttavia, nel mondo reale, il segnale wireless è soggetto a una maggiore attenuazione a causa dell'ambiente circostante e quindi, in letteratura sono stati proposti modelli più avanzati come quello a due raggi, dove la potenza ricevuta P_r-nfs(d) è stimata come:

P_r-nfs(d) = P_t G_t G_r (h_t h_r)² / d⁴

dove h_t, h_r sono rispettivamente le altezze dell'antenna del trasmettitore e del ricevitore. Risulta molto importante utilizzare il modello di propagazione wireless più adatto per stimare la quantità di energia ricevuta dal lato del ricevitore. A tal fine, la distanza tra la stazione di ricarica wireless e il nodo target deve essere stimata e confrontata con una distanza di soglia nota come distanza di crossover (d_crossover). La soglia può essere calcolata data la frequenza operativa, e in base alla soglia si sceglie il modello di propagazione più adatto:

d_crossover = 4π √(f) h_t h_r / λ

P_r = P_r(d) per d < d_crossover

P_r = P_r-nfs(d) per d>d_crossover

Componenti del kit Powercast P2110

Lo scopo del lancio del kit di sviluppo è quello di consentire ai ricercatori di valutare e studiare il trasferimento di potenza wireless. Il kit si compone di sei diversi componenti (Figura 2), che includono: un trasmettitore a RF, schede riceventi per la raccolta di energia, antenne patch e dipolo, scheda sensore wireless, una scheda di sviluppo basata su PIC MCU e uno strumento di programmazione.

Figura 2: I sei diversi componenti che costituiscono il kit Powercast P2110 per la trasmissione e ricezione di energia wireless a RF

In questo kit, il trasmettitore TX91501 è la fonte di energia RF a 915 MHz, ma per l'alimentazione possono essere utilizzate anche altre sorgenti da 850-950 MHz. Le comunicazioni dalle schede sensori all'access point avvengono a 2,4 GHz utilizzando lo standard 802.15.4. Non sono necessarie batterie per alimentare la scheda sensore wireless. L'energia RF viene convertita in CC e immagazzinata in un condensatore. Quando viene immagazzinata una carica sufficiente, l'uscita regolata del P2110 fornisce alimentazione alla scheda sensore wireless fino al completamento dell'operazione da parte del nodo o fino allo spegnimento dell'alimentazione alla soglia di bassa tensione sul condensatore. I sensori wireless inclusi misurano temperatura, umidità e luce e dispongono di un'interfaccia per un sensore esterno.

Vediamo i componenti nel dettaglio.

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