Източник:  electronicsweekly.com

Автор: Alun Williams

Превел: Т. Б.

Internet of Things разчита на получаването на добри данни от сензорите в точно определеното време и в точния формат, ето защо безжичните сензори с улавяне на енергия представляват особен интерес, пише Matthias Kassner.

Безжичните сензори улавящи енергия предизвикаха драматично увеличаване на интереса, тъй като те представят надеждна и лесна-за-инсталация технология, която доставя необходимите входни данни, на които разчита целият модел на Internet of Things(IoT). Създаването на сензорен възел, който се занимава с приемането, обработката и предаването на важните входни данни с минимална енергия, която може да бъде добита от околната среда е предизвикателство.

Има три основни ключови задачи при безжичните сензори с улавяне на енергия: генерирането(улавянето) на необходимата енергия, отчитане на физичната величина и обработка параметрите на средата(температура, влажност, позиция), както и безжично предаване на събраната информация. Всички тези три задачи трябва да бъдат оптимизирани заедно, за да осигурат оптимизирани решения.

„В работната стая на Sauter ecoUnit работната единица, температурен сензор захранван от слънчева клетка е позволил увеличаването на комфорта със значително намалена консумация на енергия.“

Енергийно-ефективен системен дизайн

Най-често срещаните форми на добита от IoT сензорите енергия са кинетичната, слънчевата и топлинната(вижте кутията, отсреща). Всички три технологии за добиване на енергия осигуряват сравнително малко количество енергия(обикновено в микроамперния диапазон). Затова системите с оптимизан енергиен дизайн са ключови, за да позволят безжичните сензори да бъдат използвани базирайки се на тези източници на енергия.

Три основни задачи определят разполагаемата мощност за безжичния сензорен възел – измерването на сензора, безжичното предаване и неактивния режим/състояние(Idle State). Дизайнът на системата трябва да балансира добиването на енергията с изискванията към мощността за извършването на тези задачи.

Този баланс може да бъде установен  в две направления – или функционалността на системата(а оттам и изискваната мощност) е фиксирана и добива на енергия е мащабиран, или доставянето на енергия от добивната група е фиксирана и системните функционалности трябва да бъдат оптимизирани. Втория случай е по-често срещания.

„Функционалността описана в тази статия е реализирана в температурния сензор с улавяне на енергия EnOcean STM 330, който може да бъде разширен с сензора за влажност HSM 100.“

За да илюстрираме изискванията разглеждаме случая на стайно устройство за управление базирано на слънчева енергия. Неговите основни задачи са да измерва температурата и влажността в стаята и да ги сравнява с определени/зададени от потребителя точки(обикновенно само целева температура, а понякога и целева влажност).

Достъпния енергиен бюджет е ограничен от достъпният размер на слънчевата клетка(да кажем 5cm^2) и от очакваното минимално ниво на осветеност(200Lux за шест часа).

Вземайки под внимание типичните характеристики на стандартните слънчеви клетки за употреба на закрито, това означава, че ние трябва да проектираме сензорна система, която консумира по-малко от 1uA среден ток. За улеснение ние впоследствие ще изчислим средния ток при направено допускане от наша страна, че захранващото напрежение е фиксирано на 3V. За да се оценят ограниченията на функционалностите, ние първоначално ще разпределим наличната енергия по равно за трите основни задачи, което прави около 300nA среден ток за всяко дискретизиране на физичната величина(sensing), безжично предаване и sleep/power загуби.

Оптимизираната реализация на преобрузавето на температурата и влажността би изисквало еквивалента на приблизително 1mA ток за период от 10ms за работата на сензора, обмяната на информация между сензора и процесора(чрез I2C или подобна шина) и първоначалната обработка на данните. След това ние можем да изчислим максималният брой измервания на ден сравнявайки достъпната енергия за ден(300nA x 86.4s) с необходимата енергия за едно измерване(1mA x 86.4s) и разбираме, че първоначалния енергиен бюджет/запас ще позволи 2592 измервания за ден.

Имайки впредвид, че температурата и влажността се изменят бавно и, че ние също така трябва да пестим енергия, ние задаваме честотата на измерванията за минута(1440 на ден). Преминавайки към радио предаването, ние приемаме среден ток от 25mA за форматиране и предаване на информацията от 125kbits/s. Основавайки се на достъпния енергиен бюджет и необходимия ток за излъчването, ние можем да определим общия брой възможни предавания на данни за ден, което се равнява малко повече он една секунда(или 125000 бита/ 15625 байта) на ден. Съпоставяйки това с възможният брой измервания, ние можем да идентифицираме ключовия проблем на безжичните сензори с улавяне на енергия – радио протокола трябва да бъде оптимизиран за минимален размер. Ще трябва да ограничим общата дължина на съобщението до 10 байта, за да предадем всеки резултат от измерването в едно радио съобщение. От това, вече е ясно, че както радио протокола, така и размера на предаването трябва да бъдат оптимизирани.

Енергийно оптимизирани протоколи

Полезният товар асоцииран със сензорите често е малък(няколко байта), затова оптимизирания протокол трябва да ограничи преносът(frame control, preamble, synchronisation, error checking), колкото се може повече, докато в същото време поддържа комуникация с голяма надеждност. Стандартният IP протокол(UDP над IPv6) изисква повече от 50 байта; затова обикновенната IPv6 комуникация обикновенно не е възможна в приложенията със сензори улавящи енергия.

Енергийно оптимизирания протокол ISO/IEC 14543-3-1X, от друга страна, изисква само 12 байта общо за предаването на 1 байт с информация от сензора. Използвайки такъв протокол съвстно с интелигентна стратегия за излъчване(предаване само на значимите изменения) позволява дори използването на съкратени под-съобщения, за да се увеличи надеждността на предаването.

Ограничаване на sleep загубите 

Безжичните сензори добиващи сами енергия трябва да могат да реализират режим „Sleep“ с ултра-малка консумация за повече от 99,99% от цялото време. Ето защо редуцирането на консумацията на енергия в този режим е от изключителна значимост. Имайки впредвид нашият пример за дизайн, нашия краен енергиен бюджет/запас е 300nA, който трябва да покрие консумацията на процесора в режим „sleep“(с възможност за периодични събуждания чрез таймера), както и загубите поради теча към енергийния склад.

Толкова малко ниво на консумация е трудно за постигане, дори и най-съвременните процесори, и може би това е най-голямото предизвикателство в самото проектиране. Изискват се дизайни със смесени-сигнали, както и системи с оптимизирана архитектура, за да се отговори на тези предизвикателства.

От използването на кабели до безжичност

Днес, входните данни за IoT често се осигуряват от сензори, които са локално свързани към контролерите и изпълнителните механизми. Тук, всички мрежови елементи са близко един до друг и директно свързани помежду си. Този подход е много подходящ за местни приложения с ограничена гъвкавост, когато не се изисква повторното използване на данните.

От друга страна при Internet of Things(IoT) вече не се изисква подобна близост. Той позволява осъществяването на централизираност или дори облачно-базирана обработка на данните. Затова едни и същи данни могат да бъдат използвани за няколко приложения, намалявайки значително инфраструктурните разходи и позволявайки мрежови структури.

Всички тези характеристики изискват втори облак, състоящ се от възли на сензорите и изпълнителните механизъми, които могат да бъдат разгърнати и разширени гъвкаво. Възлите, които използват минимална енергия, които те добиват от тяхното обкръжение, осигурават решение тип постави-и-забрави – те могат да бъдат инсталирани на повечето труднодостъпни места и да разчитаме те да си изпълнят задачата с минимална поддръжка или внимание.

Технологии за добив на енергия

Енергията може да бъде добита от различни източници; най-често използваните са:

>>> Кинетична енергия – Кинетична енергия в различни форми(странично движение, въртене или вибрация) се използва от доста дълго време, за да се създаде електрическа енергия чрез използването на електромагнитни или пиезоелектрични системи за добив. За повечето приложения, електромагнитната система за добив на енергия е по-добрия избор, тъй като тя осигурява по-стабилен енергиен изход за голям работен цикъл без стареене. Тези системи най-общо работят чрез промяната на магнитния поток през бобина или чрез придвижването на магнита спрямо бобината или чрез смяната на полярността на магнитния поток. Този вид добив на кинетична енергия е избраната технология за механичните комутатори и подобни приложения.

>>> Слънчева енергия – много приложения със сензори се захранват основно с слънчеви клетки. Те са особено подходящи за приложения с достатъчна осветеност(за вътрешна/външна употреба) и често използвана за приложения със сензори за измерване на температура, влажност, осветеност или CO2.

>>> Топлинна енергия – Разликите в температурата могат да бъдат използвани, за да се създаде енергия основана на Пелтие елементите. Стандартното приложение на тези елементи е да охлаждат област(като например преносима кутия за охлаждане), когато се приложи електрическа енергия. Обратният ефект – генерирането на енергия от температурните разлики- се използва за топлинен енергиен добив. Изходното напрежение на Пелтие елементите зависи от температурната разлика и обикновенно е много малко(20mV за градус „C“ температурна разлика). Поради тази причина е необходима специализирана електроника, за да се използва тази енергия.

Matthias Kassner е продуктов маркетинг директор в EnOcean

Източник 1:  cxem.net

Източник 2: electronicsnews.com.au

Изследователи от университета North Caroline State University са разработили нова, разтягаща се антена, която се вгражда в преносимите устройства, като например в уредите за контрол над здравословното състояние.

Много гъвкавата антена съдържа сребърни нанопроводници и може да се вгражда в различни преносими устройства за наблюдение на здравословното състояние (погледнете снимката отдолу).

„Много изследователи – в това число и нашата лаборатория – са разработили прототипи на датчици за преносими системи за контрол на здравето, но за такъв тип устройства е необходимо да се разработи антена, която може лесно да се интегрира, за предаването данните, постъпващи от датчиците, което позволява контролирането на състоянието на пациента или неговото диагностициране“, казва доктор Йонг Жу(Yong Zhu), доцент по механично и аерокосмично инженерство към университета NC State и основен автор на документа, описващ този проект.

Изследователите искали да разработят антена, която да можела лесно да се разтяга, да се свива или извива, но след това винаги да се връща към своето първоначална форма, тъй като преносимите устройства могат лесно да бъдат натоварени по различен начин при движението на пациентите.

За създаването на еластичната антена изследователите използвали шаблон за нанасянето на сребърни нанопроводници в специална форма, след което залели тези нанопроводници с течен полимер. Когато течния полимер се втвърдил, той сформирал еластичен композитен материал, който притежавал вградени нанопроводници в желаната подредба (модел).

Този структурен материал образува излъчващия елемент на микро-лентовата вътрешна антена. Чрез изменението на формата и размера на излъчващия елемент, изследователите могат да управляват честотата, при която антената излъчва и приема сигнал. Освен това излъчващият елемент се свързва с „заземяващ“ слой, който е направен от аналогичен композитен материал, с изключение на това, че той притежава непрекъснат вграден слой от сребърни нанопроводници.

Изследователите също така научили, че ако честотата на антената е постоянна, кагато антената е разтегната (тъй като това води до промяна на нейните размери), то тази честота остава в границите на дадения диапазон. „Това означава, че антената ефективно комуникира с отдалеченото оборудване, когато тя е разтегната“, казва Адамс (Adams).

„Освен това, антената се връща към своята първоначална форма и продължава да работи дори след значителни деформации, сгъвания или разтягания“. Тъй като честотата се изменя почти линейно при разтягане, антената може да се използва също така като безжичен тензодатчик.

„Другите учени, разработващи разтягащи се датчици, използват например течен метал“, казва Жу. „Нашата технология е достатъчно елементарна, може лесно да се интегрира непосредствено в самите датчици и достатъчно лесно да се мащабира“.

Работата над новата , разтягаща се антена е основана на предходните лабораторни изследвания на Жу, по създаването на еластични проводници и многофункционални датчици на основата на сребърни нанопроводници.